Fizikos studentas gali susidurti su gravitacija fizikoje dviem skirtingais būdais: kaip pagreitis dėl gravitacija Žemėje ar kituose dangaus kūnuose arba kaip traukos jėga tarp bet kurių dviejų objektų visata. Iš tiesų gravitacija yra viena iš pagrindinių jėgų gamtoje.
Seras Isaacas Newtonas sukūrė įstatymus, apibūdinančius abu. Antrasis Niutono dėsnis (Fneto = ma) taikoma bet kokiai grynajai jėgai, veikiančiai objektą, įskaitant sunkio jėgą, patirtą bet kurio didelio kūno, pavyzdžiui, planetos, lokalėje. Niutono visuotinės gravitacijos dėsnis, atvirkštinis kvadrato dėsnis, paaiškina gravitacinę trauką ar trauką tarp bet kurių dviejų objektų.
Gravitacijos jėga
Gravitacinė jėga, kurią patiria objektas gravitaciniame lauke, visada yra nukreipta į lauką generuojančios masės centrą, pavyzdžiui, į Žemės centrą. Jei nėra kitų jėgų, tai galima apibūdinti naudojant Niutono santykiusFneto = ma, kurFnetoyra svorio jėga niutonais (N),myra masė kilogramais (kg) irayra pagreitis dėl gravitacijos m / s2.
Bet kokie gravitacinio lauko objektai, tokie kaip visos Marso uolienos, patiria tą patįpagreitis link lauko centro veikdamas jų mases.Taigi vienintelis veiksnys, kuris keičia gravitacijos jėgą, kurią jaučia skirtingi tos pačios planetos objektai, yra jų masė: kuo daugiau masės, tuo didesnė gravitacijos jėga ir atvirkščiai.
Sunkio jėgayrajo svoris fizikoje, nors šnekamosios kalbos svoris dažnai naudojamas skirtingai.
Pagreitis dėl sunkio jėgos
Antrasis Niutono dėsnis,Fneto = ma, rodo, kad agrynoji jėgasukelia masės pagreitį. Jei grynoji jėga yra dėl sunkio jėgos, šis pagreitis vadinamas pagreičiu dėl sunkio jėgos; objektams, esantiems šalia tam tikrų didelių kūnų, tokių kaip planetos, šis pagreitis yra maždaug pastovus, o tai reiškia, kad visi objektai krinta tuo pačiu pagreičiu.
Netoli Žemės paviršiaus šiai konstantai suteikiamas specialus kintamasis:g. „Mažasis g“, kaipgdažnai vadinamas, jo vertė nuolat yra 9,8 m / s2. (Frazė „mažas g“ atskiria šią konstantą nuo kitos svarbios gravitacinės konstantos,G, arba „didysis G“, kuris taikomas Visuotiniam gravitacijos dėsniui.) Bet koks objektas, numestas šalia Žemės paviršiaus, kristi link Žemės centro vis didesniu greičiu, kiekvieną sekundę einant 9,8 m / s greičiau nei sekundę anksčiau.
Žemėje masės objekto svorio jėgamyra:
F_ {grav} = mg
Pavyzdys su sunkumu
Astronautai pasiekia tolimą planetą ir mano, kad objektams pakelti tenka aštuonis kartus daugiau jėgų nei Žemėje. Koks pagreitis dėl gravitacijos šioje planetoje?
Šioje planetoje gravitacijos jėga yra aštuonis kartus didesnė. Kadangi daiktų masės yra pagrindinė tų objektų savybė, jos negali pasikeisti, vadinasi, vertėgtaip pat turi būti aštuonis kartus didesnis:
8F_ {grav} = m (8 g)
VertėgŽemėje yra 9,8 m / s2, taigi 8 × 9,8 m / s2 = 78,4 m / s2.
Niutono universalusis traukos dėsnis
Antrasis iš Niutono dėsnių, taikomų suprantant gravitaciją fizikoje, atsirado dėl to, kad Niutonas glumino dėl kito fiziko išvadų. Jis bandė paaiškinti, kodėl Saulės sistemos planetose yra elipsiškos orbitos, o ne apskritos, kaip pastebėjo ir matematiškai aprašė Johanesas Kepleris savo pavadinimuose.
Niutonas nustatė, kad gravitaciniai traukos objektai tarp planetų artėjant ir tolstant vienas nuo kito žaidžia planetų judėjimą. Šios planetos iš tikrųjų buvo laisvo kritimo metu. Savo trauką jis išreiškė kiekybiškaiVisuotinis traukos dėsnis:
F_ {grav} = G \ frac {m_1m_2} {r ^ 2}
KurFgrav vėlgi yra svorio jėga niutonais (N),m1irm2yra pirmojo ir antrojo objektų masės, atitinkamai, kilogramais (kg) (pavyzdžiui, Žemės masė ir šalia Žemės esančio objekto masė), ird2yra atstumo tarp jų kvadratas metrais (m).
KintamasisG, vadinamas „didžiuoju G“, yra universali gravitacinė konstanta. Taituri tą pačią vertę visur visatoje. Niutonas neatrado G vertės (Henry Cavendishas tai nustatė eksperimentiškai po Newtono mirties), tačiau jis nustatė jėgos proporcingumą masei ir atstumui be jo.
Lygtis rodo du svarbius ryšius:
- Kuo bet kuris objektas yra masyvesnis, tuo didesnis traukos objektas. Jei mėnulis būtų staigadvigubai masyvesnėkaip yra dabar, traukos jėga tarp Žemės ir Mėnulio būtųdvigubai.
- Kuo arčiau objektai, tuo didesnė trauka. Nes mases sieja atstumas tarp jųkvadratas, traukos jėgaketuris kartuskiekvieną kartą, kai objektai yradvigubai arčiau. Jei mėnulis būtų staigapusės atstumoį Žemę, kokia ji yra dabar, būtų traukos jėga tarp Žemės ir Mėnulioketuris kartus didesnis.
Niutono teorija taip pat žinoma kaipatvirkštinio kvadrato dėsnisdėl antrojo aukščiau esančio punkto. Tai paaiškina, kodėl gravitacinė trauka tarp dviejų objektų greitai atsiskiria, kai jie atsiskiria, daug greičiau, nei keičiant abiejų ar abiejų jų masę.
Pavyzdys su visuotiniu Niutono gravitacijos dėsniu
Kokia yra traukos jėga tarp 8 000 kg kometos, kuri yra 70 000 m atstumu nuo 200 kg kometos?
\ begin {aligned} F_ {grav} & = 6.674 × 10 ^ {- 11} \ frac {m ^ 3} {kgs ^ 2} (\ dfrac {8 000 kg × 200 kg} {70 000 ^ 2}) \\ & = 2,18 × 10 ^ {- 14} \ pabaiga {lygiuota}
Alberto Einšteino bendrojo reliatyvumo teorija
Niutonas atliko nuostabų darbą, numatydamas objektų judėjimą ir kiekybiškai įvertindamas gravitacijos jėgą 1600 m. Bet maždaug po 300 metų kitas puikus protas - Albertas Einšteinas - metė iššūkį šiam mąstymui nauju būdu ir tiksliau suprasdamas sunkumą.
Pasak Einšteino, gravitacija yra iškraipymaskosmoso laikas, pats visatos audinys. Masinės deformuoja erdvę, pavyzdžiui, boulingo kamuolys sukuria įtrauką ant patalynės, o masyvesni daiktai, pavyzdžiui, žvaigždės ar juodosios skylės, deformuoja erdvė su efektais, lengvai pastebimais teleskopu - šviesos lenkimas ar artimas toms masėms objektų judėjimas.
Einšteino bendrojo reliatyvumo teorija puikiai pasitvirtino paaiškindama, kodėl Merkurijus - mažiausia planeta Saulei mūsų Saulės sistemoje turi orbitą, kurios išmatuojamas skirtumas skiriasi nuo to, ką numato Niutono dėsniai.
Nors bendrasis reliatyvumas tiksliau paaiškina gravitaciją nei Newtono dėsniai, skaičiavimų, naudojant bet kurį iš jų, skirtumas yra dažniausiai pastebimas tik „reliatyvistinėmis“ skalėmis - žiūrint į itin masyvius kosmoso objektus ar į beveik šviesą greičiu. Todėl Niutono įstatymai ir šiandien išlieka naudingi ir aktualūs aprašant daugelį realių situacijų, su kuriomis vidutinis žmogus greičiausiai susidurs.
Svoris yra svarbus
„Visuotinė“ Niutono visuotinio traukos dėsnio dalis nėra hiperbolinė. Šis dėsnis galioja visatai visatoje su mase! Bet kurios dvi dalelės traukia viena kitą, kaip ir bet kurios dvi galaktikos. Žinoma, esant pakankamai dideliems atstumams, trauka tampa tokia maža, kad faktiškai bus nulis.
Atsižvelgiant į tai, kaip svarbu apibūdinti sunkumąkaip sąveikauja visa materija, šnekamieji anglų kalbos apibrėžimaigravitacija(pagal Oksfordą: „nepaprastai svarbi ar nerimą kelianti svarba; rimtumas ") arbagravitas(„orumas, rimtumas ar būdo iškilmingumas“) įgauna papildomą reikšmę. Vis dėlto, kai kas nors nurodo „situacijos sunkumą“, fizikui vis tiek gali prireikti paaiškinimo: ar jie reiškia didelę G, ar mažą g?