כוח משיכה (פיזיקה): מה זה ולמה זה חשוב?

סטודנט לפיזיקה עשוי להיתקל בכוח המשיכה בפיזיקה בשתי דרכים שונות: כתאוצה עקב כוח המשיכה על כדור הארץ או גרמי שמיים אחרים, או ככוח המשיכה בין שני עצמים בשטח עוֹלָם. אכן כוח המשיכה הוא אחד הכוחות הבסיסיים ביותר בטבע.

סר אייזק ניוטון פיתח חוקים לתיאור שניהם. החוק השני של ניוטון (F_נֶטוֹ = אמא) חל על כל כוח נטו הפועל על אובייקט, כולל כוח הכבידה שחווה במקום של כל גוף גדול, כגון כוכב לכת. חוק הכבידה האוניברסלית של ניוטון, חוק ריבועי הפוך, מסביר את המשיכה או המשיכה בין שני עצמים כלשהם.

כוח הכבידה שחווה אובייקט בשדה הכבידה מופנה תמיד לעבר מרכז המסה שיוצר את השדה, כמו למשל מרכז כדור הארץ. בהיעדר כוחות אחרים, ניתן לתאר זאת באמצעות מערכת היחסים הניוטוניתF_נֶטוֹ = אמא, איפהF_נֶטוֹהוא כוח הכובד בניוטון (N),Mהוא מסה בקילוגרמים (ק"ג) ו-אהוא תאוצה עקב כוח המשיכה ב- m / s².

כל עצמים שנמצאים בתוך שדה כבידה, כמו כל הסלעים במאדים, חווים אותו דברהאצה לכיוון מרכז השדה​ ​פועלים על פי המוניהם.לפיכך, הגורם היחיד שמשנה את כוח הכבידה שחשים עצמים שונים באותו כוכב הלכת הוא המסה שלהם: ככל שמסה גדולה יותר, כוח הכבידה גדול יותר ולהיפך.

כוח הכבידההואמשקלו בפיזיקה, אם כי בדרך כלל משתמשים במשקל באופן שונה.

החוק השני של ניוטון,F_נֶטוֹ = אמא, מראה כי אכוח נטוגורם להאצת מסה. אם הכוח הנקי הוא מכוח המשיכה, תאוצה זו נקראת תאוצה בגלל כוח המשיכה; עבור עצמים ליד גופים גדולים מסוימים כמו כוכבי לכת, האצה זו קבועה בערך, כלומר כל האובייקטים נופלים באותה תאוצה.

בסמוך לפני כדור הארץ, קבוע זה מקבל משתנה מיוחד משלו:ז. "ז קטן", כמוזנקרא לעיתים קרובות, יש לו תמיד ערך קבוע של 9.8 מ 'לשנייה². (הביטוי "g קטן" מבדיל קבוע זה מקבוע כובד חשוב אחר,ז, או "G גדול", המתאים לחוק הכבידה האוניברסלי.) כל אובייקט שנשמט ליד פני כדור הארץ יהיה נופלים לכיוון מרכז כדור הארץ בקצב הולך וגובר, כל שנייה עוברת 9.8 מ 'לשנייה מהר יותר מהשנייה שקדמה לה.

על כדור הארץ, כוח הכבידה על עצם מסהMהוא:

אסטרונאוטים מגיעים לכוכב לכת רחוק ומגלים שלוקח לשם שמונה פעמים כוח רב כדי להרים חפצים מאשר בכדור הארץ. מהי התאוצה הנובעת מכוח המשיכה על הפלנטה הזו?

בכוכב הלכת זה כוח הכובד גדול פי שמונה. מכיוון שהמוני האובייקטים הם מאפיין יסודי של אותם אובייקטים, הם אינם יכולים להשתנות, כלומר הערך שלזחייב להיות גדול פי שמונה גם כן:

הערך שלזעל כדור הארץ הוא 9.8 מ 'לשנייה², כך 8 × 9.8 מ 'לשנייה² = 78.4 מ 'לשנייה².

השני בחוקי ניוטון החלים על הבנת כוח המשיכה בפיזיקה נבע מתמיהה של ניוטון בממצאיו של פיזיקאי אחר. הוא ניסה להסביר מדוע לכוכבי הלכת של מערכת השמש יש מסלולים אליפטיים ולא מסלולים מעגליים, כפי שנצפה ותיאר מתמטית על ידי יוהנס קפלר במערך החוקים שלו.

ניוטון קבע כי אטרקציות הכבידה בין כוכבי הלכת כשהתקרבו והתרחקו זו מזו משחקות בתנועת כוכבי הלכת. כוכבי הלכת הללו היו למעשה בנפילה חופשית. הוא כימת את המשיכה הזו שלוחוק הכבידה האוניברסלי​:

איפהF_גרב שוב כוח הכובד בניוטון (N),M₁וM₂הם המסה של האובייקט הראשון והשני, בהתאמה, בק"ג (ק"ג) (למשל, מסת כדור הארץ ומסת האובייקט ליד כדור הארץ), וד²הוא ריבוע המרחק ביניהם במטרים (מ ').

המשתנהז, המכונה "G גדול", הוא קבוע הכבידה האוניברסלי. זהיש את אותו הערך בכל מקום ביקום. ניוטון לא גילה את ערכו של G (הנרי קוונדיש מצא זאת בניסוי לאחר מותו של ניוטון), אך הוא מצא את מידת הכוח למסה ולמרחק בלעדיו.

המשוואה מראה שני קשרים חשובים:

1. ככל שאובייקט מסיבי יותר, כך האטרקציה גדולה יותר. אם הירח היה פתאוםכפליים מסיביתכפי שהוא עכשיו, כוח המשיכה בין כדור הארץ לירח היהלְהַכפִּיל​.
2. ככל שהאובייקטים קרובים יותר, כך האטרקציה גדולה יותר. מכיוון שההמונים קשורים לפי המרחק ביניהםבריבוע, כוח המשיכהארבע פעמיםבכל פעם שהאובייקטים נמצאיםפי שניים קרוב יותר. אם הירח היה פתאוםחצי מהמרחקלכדור הארץ כפי שהוא עכשיו, כוח המשיכה בין כדור הארץ לירח יהיהגדול פי ארבעה.​

התיאוריה של ניוטון ידועה גם בשםחוק הריבוע המהופךבגלל הנקודה השנייה לעיל. זה מסביר מדוע משיכת הכבידה בין שני עצמים צונחת במהירות כשהם נפרדים, הרבה יותר מהר מאשר אם משנים את המסה של שניהם או שניהם.

מה כוח המשיכה בין שביט של 8,000 ק"ג המרוחק 70,000 מ 'משביט של 200 ק"ג?

ניוטון עשה עבודה מדהימה שחיזתה את תנועת האובייקטים וכימות כוח הכבידה בשנות ה 1600. אך כעבור כ -300 שנה, מוח גדול אחר - אלברט איינשטיין - קרא תיגר על חשיבה זו בדרך חדשה ובאופן מדויק יותר להבנת כוח המשיכה.

לדברי איינשטיין, כוח המשיכה הוא עיוות שלזמן חופשי, מארג היקום עצמו. עיוות המוני במרחב, כמו כדור באולינג יוצר כניסה על סדין המיטה, וחפצים מסיביים יותר כמו כוכבים או חורים שחורים מעוותים חלל עם השפעות שנצפות בקלות בטלסקופ - כיפוף האור או שינוי תנועה של עצמים הקרובים לאותם המונים.

תורת היחסות הכללית של איינשטיין הוכיחה את עצמה בהסברה מדוע מרקורי, כוכב הלכת הזעיר הקרוב ביותר לשמש במערכת השמש שלנו, יש מסלול עם הבדל מדיד ממה שנחזה בחוקי ניוטון.

בעוד תורת היחסות הכללית מדויקת יותר בהסבר כוח המשיכה מאשר חוקי ניוטון, ההבדל בחישובים המשתמשים באחד מהם הוא מורגש ברובו רק בקשקשים "רלטיביסטיים" - מסתכל על עצמים מסיביים ביותר בקוסמוס, או על אור קרוב מהירויות. לכן חוקי ניוטון נותרים שימושיים ורלוונטיים כיום בתיאור מצבים רבים בעולם האמיתי שאדם ממוצע עשוי להיתקל בהם.

החלק "האוניברסלי" בחוק הכבידה האוניברסלי של ניוטון אינו היפרבולי. חוק זה חל על כל דבר ביקום בעל מסה! כל שני חלקיקים מושכים זה את זה, וכך גם שתי גלקסיות. כמובן, במרחקים גדולים מספיק, המשיכה הופכת להיות קטנה כל כך עד שהיא אפסית.

בהתחשב בחשיבות הכבידה לתאוראיך כל החומר מתקשר, ההגדרות בשפה האנגלית שלכוח משיכה(על פי אוקספורד: "חשיבות קיצונית או מדאיגה; רצינות ") אוגרביטות("כבוד, רצינות או חגיגיות") מקבלים משמעות נוספת. עם זאת, כאשר מישהו מתייחס ל"כובד המצב "פיזיקאי עדיין זקוק לבירור: האם הם מתכוונים למונחים של G גדול או G קטן?