გრავიტაცია (ფიზიკა): რა არის ეს და რატომ არის მნიშვნელოვანი?

ფიზიკის სტუდენტს შეიძლება ფიზიკაში შეექმნას სიმძიმე ორი განსხვავებული გზით: როგორც აჩქარების გამო მიზიდულობა დედამიწაზე ან სხვა ციურ სხეულებზე, ან როგორც მოზიდვის ძალა რომელიმე ორ ობიექტს შორის სამყარო მართლაც გრავიტაცია ბუნებაში ერთ-ერთი ყველაზე ფუნდამენტური ძალაა.

სერ ისააკ ნიუტონმა შეიმუშავა კანონები ორივეს აღსაწერად. ნიუტონის მეორე კანონი (ვ_{წმინდა} = მა) ვრცელდება ობიექტზე მოქმედ ნებისმიერ წმინდა ძალაზე, მათ შორის სიმძიმის ძალას, რომელიც განიცდის ნებისმიერი დიდი სხეულის ლოკალში, მაგალითად პლანეტაზე. ნიუტონის კანონი უნივერსალური გრავიტაციისთვის, ინვერსიული კვადრატული კანონი, განმარტავს გრავიტაციულ მიზიდულობას ან მიზიდულობას რომელიმე ორ ობიექტს შორის.

გრავიტაციული ძალა, რომელსაც ობიექტი განიცდის გრავიტაციულ ველში, ყოველთვის მიმართულია მასის ცენტრისკენ, რომელიც ქმნის ველს, მაგალითად დედამიწის ცენტრს. სხვა ძალების არარსებობის შემთხვევაში, ეს შეიძლება აღწერილი იყოს ნიუტონის ურთიერთობის გამოყენებითვ_{წმინდა} = მასადვ_{წმინდა}არის სიმძიმის ძალა ნიუტონში (N),მარის მასა კილოგრამებში (კგ) დააარის აჩქარება მ / წმ სიმძიმის გამო².

გრავიტაციული ველის ნებისმიერი ობიექტი, მაგალითად მარსის ყველა კლდე, იგივე განიცდისაჩქარება ველის ცენტრისკენ​ ​მოქმედებენ მათ მასებზე.ამრიგად, ერთადერთი ფაქტორი, რომელიც ცვლის ერთ ობიექტზე სხვადასხვა ობიექტის მიერ განცდილ მიზიდულობის ძალას, არის მათი მასა: რაც მეტია მასა, მით მეტია მიზიდულობის ძალა და პირიქით.

სიმძიმის ძალაარისმისი წონა ფიზიკაში, თუმცა სასაუბრო წონა ხშირად განსხვავებულად გამოიყენება.

ნიუტონის მეორე კანონი,ვ_{წმინდა} = მა, გვიჩვენებს, რომ აწმინდა ძალაიწვევს მასის დაჩქარებას. თუ წმინდა ძალა გრავიტაციიდან არის, ამ აჩქარებას სიმძიმის გამო აჩქარებას უწოდებენ; პლანეტების მსგავსად დიდ სხეულებთან ახლოს მყოფი ობიექტებისთვის ეს აჩქარება დაახლოებით მუდმივია, რაც ნიშნავს, რომ ყველა ობიექტი ერთი და იგივე აჩქარებით მოდის.

დედამიწის ზედაპირთან, ამ მუდმივას ეძლევა საკუთარი სპეციალური ცვლადი:გ. "პატარა გ", როგორცგხშირად ეწოდება, ყოველთვის აქვს მუდმივი მნიშვნელობა 9,8 მ / წმ². (ფრაზა "პატარა გ" განასხვავებს ამ მუდმივას სხვა მნიშვნელოვანი გრავიტაციული მუდმივისგან,გ, ან "დიდი G", რომელიც ეხება გრავიტაციის უნივერსალურ კანონს.) დედამიწის ზედაპირთან ჩამოვარდნილი ნებისმიერი ობიექტი დაეცემა დედამიწის ცენტრისკენ მუდმივად მზარდი სიჩქარით, ყოველი წამი 9.8 მ / წმ-ზე უფრო სწრაფად მიდის ვიდრე წინა წამი.

დედამიწაზე, სიმძიმის ძალა მასის ობიექტზემარის:

ასტრონავტები მიაღწევენ შორეულ პლანეტას და აღმოაჩენენ, რომ იქ ობიექტების აზიდვაზე რვაჯერ მეტი ძალაა, ვიდრე დედამიწაზე. რა არის აჩქარება ამ პლანეტაზე გრავიტაციის გამო?

ამ პლანეტაზე მიზიდულობის ძალა რვაჯერ მეტია. მას შემდეგ, რაც ობიექტების მასები ამ ობიექტების ფუნდამენტური თვისებაა, ისინი ვერ შეიცვლებიან, ეს ნიშნავს მნიშვნელობასგასევე უნდა იყოს რვაჯერ უფრო დიდი:

მნიშვნელობაგდედამიწაზე არის 9,8 მ / წმ², ასე რომ 8 × 9,8 მ / წმ² = 78,4 მ / წმ².

ნიუტონის მეორე კანონი, რომელიც ფიზიკაში გრავიტაციის გააზრებას ეხება, ნიუტონის სხვა ფიზიკოსის დასკვნების გამოცანებამ გამოიწვია. ის ცდილობდა აეხსნა, თუ რატომ აქვთ მზის სისტემის პლანეტებს ელიფსური ორბიტები და არა წრიული ორბიტები, რასაც იოჰანეს კეპლერი აკვირდება და მათემატიკურად აღწერს თავის დასახელებულ კანონებში.

ნიუტონმა დაადგინა, რომ გრავიტაციული მიზიდულობები პლანეტებს შორის, როდესაც ისინი უფრო და უფრო შორდებოდნენ ერთმანეთს, თამაშობდნენ პლანეტების მოძრაობაში. სინამდვილეში ეს პლანეტები თავისუფალ ვარდნაში იყვნენ. მან თავისთავად შეაფასა ეს მიზიდულობაგრავიტაციის უნივერსალური კანონი​:

სადვ_{გრავიტაცია} ისევ არის მიზიდულობის ძალა ნიუტონში (N),მ₁დამ₂არის პირველი და მეორე ობიექტების მასები, შესაბამისად, კილოგრამებში (კგ) (მაგალითად, დედამიწის მასა და ობიექტის მასა დედამიწასთან) დად²არის მათ შორის მანძილის კვადრატი მეტრებში (მ).

ცვლადიგ, სახელწოდებით "დიდი G", არის გრავიტაციული უნივერსალური მუდმივა. ესსამყაროს ყველგან ერთი და იგივე მნიშვნელობა აქვს. ნიუტონმა ვერ აღმოაჩინა G- ს მნიშვნელობა (ჰენრი კავენდიშმა იგი ექსპერიმენტულად იპოვა ნიუტონის გარდაცვალების შემდეგ), მაგრამ მან იპოვა ძალის პროპორციულობა მასისა და მანძილის გარეშე.

განტოლება აჩვენებს ორ მნიშვნელოვან ურთიერთობას:

1. რაც უფრო მასიურია ობიექტი, მით უფრო დიდია მოზიდვა. თუ მთვარე მოულოდნელად იყოორჯერ მასიურიროგორც ახლა არის, დედამიწასა და მთვარეს შორის მიზიდულობის ძალა იქნებოდაორმაგი​.
2. რაც უფრო ახლოსაა ობიექტები, მით უფრო დიდია მიზიდულობა. რადგან მასები დაკავშირებულია მათ შორის მანძილითკვადრატში, მიზიდულობის ძალაოთხმაგიყოველთვის, როდესაც ობიექტები არიანორჯერ ახლოს. თუ მთვარე მოულოდნელად იყომანძილის ნახევარიდედამიწაზე, როგორც ახლა არის, მიზიდულობის ძალა იქნება დედამიწასა და მთვარეს შორისოთხჯერ უფრო დიდი.​

ნიუტონის თეორია ასევე ცნობილია, როგორც ანშებრუნებული კვადრატული კანონიზემოთ მეორე პუნქტის გამო. იგი განმარტავს, თუ რატომ გრავიტაციული მიზიდულობა ორ ობიექტს შორის სწრაფად იშლება დაშორებისთანავე, ბევრად უფრო სწრაფად, ვიდრე რომელიმე ან ორივეს მასის შეცვლის შემთხვევაში.

რა არის მოზიდვის ძალა 8000 კგ კომეტას შორის, რომელიც 70 კმ-ით არის დაშორებული 200 კგ კომეტასთან?

ნიუტონმა საოცარი სამუშაო გააკეთა საგნების მოძრაობის პროგნოზირებით და 1600-იან წლებში მიზიდულობის ძალის დასადგენად. დაახლოებით 300 წლის შემდეგ, სხვა დიდმა გონებამ - ალბერტ აინშტაინმა ამ გამოწვევას ახალი გზით და სიმძიმის გაგების უფრო ზუსტი გზით დაუპირისპირდა.

აინშტაინის თანახმად, გრავიტაცია არის დამახინჯებასივრცის დროთავად სამყაროს ქსოვილი. მასა ათავისუფლებს სივრცეს, ბოულინგის ბურთის მსგავსად, ქმნის საწოლის ფურცელს და უფრო მასიური ობიექტები, როგორიცაა ვარსკვლავები ან შავი ხვრელები, იხრება სივრცე ტელესკოპში ადვილად შესამჩნევი ეფექტებით - სინათლის მოხრა ან ამ მასებთან ახლოს მყოფი ობიექტების მოძრაობის შეცვლა.

აინშტაინის ზოგადი ფარდობითობის თეორიამ კარგად დაამტკიცა თავი იმ ახსნით, თუ რატომ არის მერკური, ყველაზე პატარა პლანეტა ჩვენს მზის სისტემაში მზისკენ, აქვს ორბიტა გაზომვადი სხვაობით იმისგან, რასაც წინასწარმეტყველებს ნიუტონის კანონები.

მიუხედავად იმისა, რომ ზოგადი ფარდობითობა უფრო ზუსტია გრავიტაციის ახსნაში, ვიდრე ნიუტონის კანონები, განსხვავება გამოთვლებში არის უმეტესწილად შესამჩნევია მხოლოდ "რელატივისტური" მასშტაბებით - კოსმოსში უკიდურესად მასიური ობიექტების დათვალიერება, ან ახლო შუქის სიჩქარეები. ამიტომ ნიუტონის კანონები დღესაც სასარგებლო და აქტუალური რჩება მრავალი რეალური სიტუაციის აღწერისას, რომელსაც საშუალო ადამიანი შეიძლება შეხვდეს.

ნიუტონის გრავიტაციის უნივერსალური კანონის "უნივერსალური" ნაწილი არ არის ჰიპერბოლური. ეს კანონი ვრცელდება სამყაროში მასის ყველაფერზე! ნებისმიერი ორი ნაწილაკი იზიდავს ერთმანეთს, ისევე როგორც ნებისმიერი ორი გალაქტიკა. რა თქმა უნდა, საკმარისად დიდ მანძილზე მიზიდულობა იმდენად მცირე ხდება, რომ ეფექტურად ნულის ტოლია.

იმის გათვალისწინებით, თუ რამდენად მნიშვნელოვანია სიმძიმის აღწერაროგორ ურთიერთქმედებს ყველა მატერიასასაუბრო ინგლისური განმარტებებისიმძიმის(ოქსფორდის თანახმად: ”უკიდურესი ან საგანგაშო მნიშვნელობა; სერიოზულობა ”) ანგრავიტა("ღირსება, სერიოზულობა ან წესის საზეიმოობა") დამატებით მნიშვნელობას იძენს. ამის თქმისას, როდესაც ვინმე "სიტუაციის სიმძიმეს" გულისხმობს, ფიზიკოსს შეიძლება კიდევ დასჭირდეს განმარტება: გულისხმობენ ისინი დიდი G ან პატარა g თვალსაზრისით?