Gravità (fisica): cos'è e perché è importante?

Uno studente di fisica potrebbe incontrare la gravità in fisica in due modi diversi: come l'accelerazione dovuta a gravità sulla Terra o su altri corpi celesti, o come la forza di attrazione tra due oggetti qualsiasi nel universo. Infatti la gravità è una delle forze più fondamentali in natura.

Sir Isaac Newton ha sviluppato leggi per descrivere entrambi. Seconda legge di Newton (F_netto = ma) si applica a qualsiasi forza netta che agisce su un oggetto, inclusa la forza di gravità sperimentata nella zona di qualsiasi corpo di grandi dimensioni, come un pianeta. La legge della gravitazione universale di Newton, una legge del quadrato inverso, spiega l'attrazione o attrazione gravitazionale tra due oggetti qualsiasi.

La forza gravitazionale sperimentata da un oggetto all'interno di un campo gravitazionale è sempre diretta verso il centro della massa che genera il campo, come il centro della Terra. In assenza di altre forze, può essere descritto usando la relazione newtonianaF_netto = ma

Qualsiasi oggetto all'interno di un campo gravitazionale, come tutte le rocce su Marte, sperimenta lo stessoaccelerazione verso il centro del campo​ ​agendo sulle loro masse.Pertanto, l'unico fattore che modifica la forza di gravità percepita da diversi oggetti sullo stesso pianeta è la loro massa: maggiore è la massa, maggiore è la forza di gravità e viceversa.

La forza di gravitàèil suo peso in fisica, sebbene colloquialmente il peso sia spesso usato in modo diverso.

Seconda legge di Newton,F_netto = ma, mostra che aforza nettafa accelerare una massa. Se la forza risultante proviene dalla gravità, questa accelerazione è chiamata accelerazione di gravità; per oggetti vicino a particolari corpi grandi come i pianeti questa accelerazione è approssimativamente costante, il che significa che tutti gli oggetti cadono con la stessa accelerazione.

Vicino alla superficie terrestre, a questa costante viene assegnata una variabile speciale:g. "Piccola g", comegè spesso chiamato, ha sempre un valore costante di 9,8 m/s². (La frase "piccola g" distingue questa costante da un'altra importante costante gravitazionale,G, o "grande G", che si applica alla Legge di Gravitazione Universale.) Qualsiasi oggetto caduto vicino alla superficie della Terra cadono verso il centro della Terra ad una velocità sempre crescente, ogni secondo andando 9,8 m/s più veloce del secondo prima.

Sulla Terra, la forza di gravità su un oggetto di massamè:

Gli astronauti raggiungono un pianeta lontano e scoprono che ci vuole otto volte più forza per sollevare oggetti lì rispetto a quella che fa sulla Terra. Qual è l'accelerazione di gravità su questo pianeta?

Su questo pianeta la forza di gravità è otto volte maggiore. Poiché le masse degli oggetti sono una proprietà fondamentale di quegli oggetti, non possono cambiare, ciò significa che il valore digdeve essere anche otto volte più grande:

Il valore digsulla Terra è 9,8 m/s², quindi 8 × 9,8 m/s² = 78,4 m/s².

La seconda delle leggi di Newton che si applicano alla comprensione della gravità in fisica è il risultato del fatto che Newton ha sconcertato le scoperte di un altro fisico. Stava cercando di spiegare perché i pianeti del sistema solare hanno orbite ellittiche piuttosto che orbite circolari, come osservato e descritto matematicamente da Johannes Kepler nella sua serie di leggi omonime.

Newton determinò che le attrazioni gravitazionali tra i pianeti mentre si avvicinavano e si allontanavano l'uno dall'altro stavano giocando nel movimento dei pianeti. Questi pianeti erano infatti in caduta libera. Ha quantificato questa attrazione nel suoLegge di Gravitazione Universale​:

DoveF_grave di nuovo è la forza di gravità in Newton (N),m₁em₂sono le masse del primo e del secondo oggetto, rispettivamente, in chilogrammi (kg) (ad esempio, la massa della Terra e la massa dell'oggetto vicino alla Terra), ed²è il quadrato della distanza tra loro in metri (m).

La variabileG, chiamata "grande G", è la costante gravitazionale universale. èha lo stesso valore ovunque nell'universo. Newton non scoprì il valore di G (Henry Cavendish lo trovò sperimentalmente dopo la morte di Newton), ma trovò la proporzionalità della forza alla massa e alla distanza senza di essa.

L'equazione mostra due importanti relazioni:

1. Più l'oggetto è massiccio, maggiore è l'attrazione. Se la luna fosse all'improvvisodue volte più massicciocosì com'è ora, la forza di attrazione tra la Terra e la luna sarebbeDoppio​.
2. Più gli oggetti sono vicini, maggiore è l'attrazione. Perché le masse sono legate dalla distanza tra loroal quadrato, la forza di attrazionequadrupliogni volta che gli oggetti sonodue volte più vicino. Se la luna fosse all'improvvisometà della distanzaalla Terra così com'è ora, la forza di attrazione tra la Terra e la luna sarebbequattro volte più grande.​

La teoria di Newton è anche conosciuta come anlegge dell'inverso del quadratoa causa del secondo punto sopra. Spiega perché l'attrazione gravitazionale tra due oggetti diminuisce rapidamente quando si separano, molto più rapidamente che se si cambiasse la massa di uno o di entrambi.

Qual è la forza di attrazione tra una cometa di 8.000 kg che dista 70.000 m da una cometa di 200 kg?

Newton ha fatto un lavoro straordinario prevedendo il movimento degli oggetti e quantificando la forza di gravità nel 1600. Ma circa 300 anni dopo, un'altra grande mente - Albert Einstein - sfidò questo modo di pensare con un nuovo modo e un modo più accurato di comprendere la gravità.

Secondo Einstein, la gravità è una distorsione dispazio tempo, il tessuto dell'universo stesso. La massa deforma lo spazio, come una palla da bowling crea un rientro su un lenzuolo, e oggetti più massicci come stelle o buchi neri si deformano spazio con effetti facilmente osservabili in un telescopio: la flessione della luce o un cambiamento nel movimento di oggetti vicini a quelle masse.

La teoria della relatività generale di Einstein si è notoriamente dimostrata spiegando perché Mercurio, il minuscolo pianeta più vicino al sole nel nostro sistema solare, ha un'orbita con una differenza misurabile rispetto a quanto previsto dalle leggi di Newton.

Mentre la relatività generale è più accurata nello spiegare la gravità rispetto alle leggi di Newton, la differenza nei calcoli che utilizzano l'una o l'altra è evidente per la maggior parte solo su scale "relativistiche" - guardando oggetti estremamente massicci nel cosmo, o un vicino-luce velocità. Pertanto le leggi di Newton rimangono utili e rilevanti oggi nel descrivere molte situazioni del mondo reale che l'essere umano medio può incontrare.

La parte "universale" della Legge Universale di Gravitazione di Newton non è iperbolica. Questa legge si applica a tutto nell'universo con una massa! Due particelle qualsiasi si attraggono, così come due galassie qualsiasi. Naturalmente, a distanze sufficientemente grandi, l'attrazione diventa così piccola da essere effettivamente zero.

Dato quanto sia importante la gravità per descriverecome interagisce tutta la materia, le definizioni colloquiali inglesi digravità(secondo Oxford: "importanza estrema o allarmante; serietà") ogravitas("dignità, serietà o solennità di modi") assumono ulteriore significato. Detto questo, quando qualcuno si riferisce alla "gravità di una situazione" un fisico potrebbe ancora aver bisogno di un chiarimento: intendono in termini di G grande o g piccola?