物理学の学生は、2つの異なる方法で物理学の重力に遭遇する可能性があります。 地球または他の天体の重力、または内の任意の2つのオブジェクト間の引力として 宇宙。 実際、重力は自然界で最も基本的な力の1つです。
アイザックニュートン卿は両方を説明する法律を開発しました。 ニュートンの第2法則（Fネット = ma）は、惑星などの大きな物体の場所で発生する重力を含む、オブジェクトに作用するすべての正味の力に適用されます。 ニュートンの万有引力の法則、逆二乗の法則は、任意の2つのオブジェクト間の引力または引力を説明します。
重力の力
重力場内の物体が受ける重力は、常に、地球の中心など、場を生成している質量の中心に向けられます。 他の力がない場合は、ニュートン関係を使用して説明できます。Fネット = ma、 どこFネットニュートン（N）単位の重力です。mはキログラム（kg）単位の質量であり、a重力による加速度（m / s）2.
火星のすべての岩など、重力場内のすべてのオブジェクトは同じ経験をしますフィールドの中心に向かって加速 彼らの大衆に行動する。したがって、同じ惑星上のさまざまなオブジェクトが感じる重力を変化させる唯一の要因は、それらの質量です。質量が大きいほど、重力は大きくなり、逆もまた同様です。
重力です物理学ではその重みがありますが、口語的には重みの使い方が異なることがよくあります。
重力による加速
ニュートンの第二法則、Fネット = ma、は正味の力質量を加速させます。 正味の力が重力によるものである場合、この加速度は重力による加速度と呼ばれます。 惑星のような特定の大きな物体の近くにあるオブジェクトの場合、この加速度はほぼ一定です。つまり、すべてのオブジェクトが同じ加速度で落下します。
地球の表面近くでは、この定数には独自の特別な変数が与えられています。g. 「リトルg」としてgよく呼ばれ、常に9.8 m / sの定数値を持ちます2. （「小さなg」という句は、この定数を別の重要な重力定数と区別します。G、または「万有引力」に適用される「ビッグG」。）地球の表面近くに落下した物体は、 地球の中心に向かって絶えず増加する速度で落下し、毎秒は前の秒よりも9.8 m / s速く進みます。
地球上では、質量のある物体にかかる重力mは：
F_ {grav} = mg
重力のある例
宇宙飛行士は遠くの惑星に到達し、そこにある物体を持ち上げるのに地球上の力の8倍の力がかかることに気づきます。 この惑星の重力による加速度はどれくらいですか？
この惑星では、重力は8倍大きくなっています。 オブジェクトの質量はそれらのオブジェクトの基本的なプロパティであるため、変更することはできません。つまり、g同様に8倍大きくする必要があります：
8F_ {grav} = m（8g）
の値g地球上は9.8m / sです2、したがって8×9.8 m / s2 = 78.4 m / s2.
ニュートンの万有引力の法則
物理学における重力の理解に適用されるニュートンの法則の2つ目は、ニュートンが別の物理学者の発見に戸惑うことから生じました。 彼は、ヨハネス・ケプラーが彼の名を冠した法則のセットで観察し、数学的に説明したように、太陽系の惑星が円軌道ではなく楕円軌道を持っている理由を説明しようとしていました。
ニュートンは、惑星が互いに近づいたり遠ざかったりするにつれて、惑星間の引力が惑星の動きに影響を及ぼしていると判断しました。 これらの惑星は実際には自由落下していました。 彼は彼の中でこの魅力を定量化しました万有引力の法則:
F_ {grav} = G \ frac {m_1m_2} {r ^ 2}
どこFグラブ ここでも、ニュートン（N）単位の重力です。m1そしてm2は、それぞれ1番目と2番目のオブジェクトの質量（キログラム（kg）単位）（たとえば、地球の質量と地球の近くのオブジェクトの質量）です。d2メートル（m）で表したそれらの間の距離の2乗です。
変数G「ビッグG」と呼ばれるは、万有引力定数です。 それ宇宙のどこでも同じ価値を持っています. ニュートンはGの値を発見しませんでした（ヘンリーキャベンディッシュはニュートンの死後に実験的にそれを発見しました）が、彼はそれなしで質量と距離に対する力の比例関係を発見しました。
この方程式は、2つの重要な関係を示しています。
- どちらかのオブジェクトが大きいほど、魅力は大きくなります。 月が突然だったら2倍の大きさ今のように、地球と月の間の引力はダブル.
- オブジェクトが近いほど、魅力は大きくなります。 質量はそれらの間の距離によって関係しているので二乗、引力4倍オブジェクトが2倍近い. 月が突然だったら半分の距離今のように地球に、地球と月の間の引力は4倍大きい。
ニュートンの理論は、逆二乗の法則上記の2番目のポイントのため。 これは、2つのオブジェクト間の重力引力が、それらの一方または両方の質量を変更する場合よりもはるかに速く、分離するときに急速に低下する理由を説明しています。
ニュートンの万有引力の例
200kgの彗星から70,000m離れた8,000kgの彗星の間の引力はどれくらいですか？
\ begin {aligned} F_ {grav}＆= 6.674×10 ^ {− 11} \ frac {m ^ 3} {kgs ^ 2}（\ dfrac {8,000kg×200kg} {70,000 ^ 2}）\\＆ = 2.18×10 ^ {− 14} \ end {aligned}
アルバート・アインシュタインの一般相対性理論
ニュートンは、1600年代に物体の動きを予測し、重力を定量化するという驚くべき仕事をしました。 しかし、およそ300年後、別の偉大な精神であるアルバート・アインシュタインが、重力を理解するための新しい方法とより正確な方法でこの考え方に挑戦しました。
アインシュタインによると、重力はの歪みです時空、宇宙自体の構造。 ボウリング球がベッドシーツにくぼみを作るように、質量が空間を歪め、星やブラックホールのようなより重い物体が歪む 望遠鏡で簡単に観察できる効果のある空間-光の曲がりやそれらの質量に近い物体の動きの変化。
アインシュタインの一般相対性理論は、水星、最も近い小さな惑星がなぜであるかを説明することによって有名に証明されました 私たちの太陽系の太陽に対して、ニュートンの法則によって予測されたものとは測定可能な違いのある軌道を持っています。
一般相対性理論はニュートンの法則よりも重力を説明するのに正確ですが、どちらかを使用した計算の違いは ほとんどの場合、「相対論的」スケールでのみ目立ちます-宇宙の非常に巨大なオブジェクト、または近光を見る 速度。 したがって、ニュートンの法則は、平均的な人間が遭遇する可能性のある多くの現実世界の状況を説明する上で、今日でも有用で関連性があります。
重力は重要です
ニュートンの万有引力の「普遍的な」部分は双曲線ではありません。 この法則は、質量のある宇宙のすべてに適用されます！ 任意の2つの銀河がそうであるように、任意の2つの粒子は互いに引き付け合います。 もちろん、十分な距離が離れると、引力は非常に小さくなり、事実上ゼロになります。
重力が説明するのにどれほど重要かを考えるとすべての物質がどのように相互作用するか、口語的な英語の定義重力（オックスフォードによると：「非常にまたは驚くべき重要性; 深刻さ」）またはグラビタス（「尊厳、真剣さ、またはマナーの厳粛さ」）は、さらに重要な意味を持ちます。 とは言うものの、誰かが「状況の重力」に言及するとき、物理学者はまだ明確にする必要があるかもしれません：それらは大きなGまたは小さなgの観点から意味しますか？