Gravitācija (fizika): kas tas ir un kāpēc tas ir svarīgi?

Fizikas students var saskarties ar gravitāciju fizikā divos dažādos veidos: kā paātrinājumu dēļ gravitācija uz Zemes vai citiem debess ķermeņiem vai kā pievilkšanās spēks starp jebkuriem diviem objektiem Visums. Patiešām gravitācija ir viens no būtiskākajiem spēkiem dabā.

Sers Īzaks Ņūtons izstrādāja likumus, lai aprakstītu abus. Ņūtona otrais likums (F_tīkls = ma) attiecas uz jebkuru neto spēku, kas iedarbojas uz objektu, ieskaitot gravitācijas spēku, kas rodas jebkura liela ķermeņa, piemēram, planētas, lokalizācijā. Ņūtona Vispārējās gravitācijas likums, apgriezts kvadrātveida likums, izskaidro gravitācijas vilkmi vai pievilcību starp jebkuriem diviem objektiem.

Gravitācijas spēks, ko objekts izjūt gravitācijas laukā, vienmēr tiek virzīts uz masas centru, kas rada lauku, piemēram, Zemes centru. Ja nav citu spēku, to var aprakstīt, izmantojot Ņūtona attiecībasF_tīkls = ma, kurF_tīklsir gravitācijas spēks ņūtonos (N),mir masa kilogramos (kg) unair paātrinājums gravitācijas dēļ m / s².

Visi objekti gravitācijas laukā, piemēram, visi Marsa ieži, piedzīvo to pašupaātrinājums virzienā uz lauka centru​ ​rīkojoties pēc viņu masām.Tādējādi vienīgais faktors, kas maina gravitācijas spēku, ko izjūt dažādi objekti uz vienas planētas, ir to masa: jo lielāka masa, jo lielāks gravitācijas spēks un otrādi.

Smaguma spēksirtā svars fizikā, kaut arī sarunvalodas svaru bieži lieto atšķirīgi.

Ņūtona otrais likums,F_tīkls = ma, parāda, ka aneto spēksizraisa masas paātrināšanos. Ja tīrais spēks ir no smaguma, šo paātrinājumu sauc par paātrinājumu smaguma dēļ; objektiem netālu no konkrētiem lieliem ķermeņiem, piemēram, planētām, šis paātrinājums ir aptuveni nemainīgs, tas nozīmē, ka visi objekti krīt ar tādu pašu paātrinājumu.

Netālu no Zemes virsmas šai konstantei tiek piešķirts savs īpašais mainīgais:g. "Mazais g", kāgbieži sauc, vienmēr ir nemainīga vērtība 9,8 m / s². (Frāze "mazais g" atšķir šo konstanti no citas svarīgas gravitācijas konstantes,Gvai "lielais G", kas attiecas uz Vispārējo gravitācijas likumu.) Jebkurš objekts, kas nokritis netālu no Zemes virsmas krīt uz Zemes centra pusi ar arvien lielāku ātrumu, katru sekundi ejot par 9,8 m / s ātrāk nekā otro iepriekš.

Uz Zemes gravitācijas spēks uz masas objektumir:

Astronauti sasniedz tālu planētu un uzskata, ka objektu tur pacelšanai nepieciešams astoņas reizes lielāks spēks nekā uz Zemes. Kāds ir gravitācijas paātrinājums uz šīs planētas?

Uz šīs planētas gravitācijas spēks ir astoņas reizes lielāks. Tā kā objektu masas ir šo objektu pamatīpašība, tās nevar mainīties, tas nozīmē objekta vērtībugjābūt arī astoņas reizes lielākai:

Vērtībaguz Zemes ir 9,8 m / s², tātad 8 × 9,8 m / s² = 78,4 m / s².

Otrais no Ņūtona likumiem, kas attiecas uz gravitācijas izpratni fizikā, radās Ņūtona neizpratnē ar cita fiziķa secinājumiem. Viņš mēģināja izskaidrot, kāpēc Saules sistēmas planētām ir elipsveida orbītas, nevis apļveida orbītas, kā novēroja un matemātiski aprakstīja Johanness Keplers savā identisko likumu komplektā.

Ņūtons noteica, ka gravitācijas pievilcības starp planētām, tām tuvojoties un attālinoties, spēlē planētu kustībā. Šīs planētas faktiski atradās brīvajā kritienā. Viņš piesaistīja šo pievilcību kvantitatīviVispārējais gravitācijas likums​:

KurF_grav atkal ir gravitācijas spēks ņūtonos (N),m₁unm₂ir attiecīgi pirmā un otrā objekta masa kilogramos (kg) (piemēram, Zemes masa un Zemes tuvumā esošā objekta masa), und²ir attāluma kvadrāts starp tiem metros (m).

MainīgaisG, ko sauc par "lielo G", ir universālā gravitācijas konstante. Tāir vienāda vērtība visur Visumā. Ņūtons neatklāja G vērtību (Henrijs Kavendišs to pēc eksperimenta atrada pēc Ņūtona nāves), taču viņš atrada spēka proporciju masai un attālumam bez tā.

Vienādojums parāda divas svarīgas attiecības:

1. Jo masīvāks ir kāds no objektiem, jo ​​lielāka ir pievilcība. Ja mēness būtu pēkšņidivreiz masīvākskā tas ir tagad, pievilcības spēks starp Zemi un Mēnesi būtudubultā​.
2. Jo tuvāk atrodas objekti, jo lielāka ir pievilcība. Jo masas ir saistītas ar attālumu starp tāmkvadrātā, pievilkšanas spēksčetrkārtīgikatru reizi, kad objekti irdivreiz tuvāk. Ja mēness būtu pēkšņipusi no distancesuz Zemes, kā tas ir tagad, būtu pievilkšanās spēks starp Zemi un Mēnesičetras reizes lielāks.​

Ņūtona teorija ir pazīstama arī kāapgrieztā kvadrāta likumsotrā punkta dēļ. Tas izskaidro, kāpēc gravitācijas pievilcība starp diviem objektiem ātri atdalās, atdaloties, daudz ātrāk nekā tad, ja mainītu abu vai abu masu.

Kāds ir pievilkšanās spēks starp 8000 kg smagu komētu, kas atrodas 70 000 m attālumā no 200 kg smagās komētas?

Ņūtons veica pārsteidzošu darbu, paredzot objektu kustību un izsakot gravitācijas spēku 1600. gados. Bet aptuveni pēc 300 gadiem cits lielisks prāts - Alberts Einšteins - apstrīdēja šo domāšanu ar jaunu veidu un precīzāku gravitācijas izpratni.

Pēc Einšteina domām, gravitācija ir sagrozīšanakosmosa laiks, paša Visuma audums. Masveidā deformējas telpa, piemēram, boulinga bumba, izveido atkāpi uz gultas palaga, un masīvāki priekšmeti, piemēram, zvaigznes vai melnie caurumi, deformējas telpa ar efektiem, kas viegli novērojami teleskopā - gaismas locīšana vai objektu kustības maiņa tuvu šīm masām.

Einšteina vispārējās relativitātes teorija sevi lieliski pierādīja, izskaidrojot, kāpēc Merkurs, mazākā planēta, kas ir vistuvāk saulei mūsu Saules sistēmā ir orbīta ar izmērāmu atšķirību no tās, ko paredz Ņūtona likumi.

Kaut arī vispārējā relativitāte ir precīzāka gravitācijas skaidrojumā nekā Ņūtona likumi, atšķirība aprēķinos, izmantojot vienu vai otru, ir pamanāms lielākoties tikai uz "relatīvistiskām" skalām - skatoties uz ārkārtīgi masīviem kosmosa objektiem vai tuvu gaismai ātrumi. Tāpēc Ņūtona likumi joprojām ir noderīgi un aktuāli, aprakstot daudzas reālās situācijas, ar kurām vidusmēra cilvēks, iespējams, sastopas.

Ņūtona Vispārējā gravitācijas likuma "universālā" daļa nav hiperboliska. Šis likums attiecas uz visu Visumā ar masu! Jebkuras divas daļiņas piesaista viena otru, tāpat kā jebkuras divas galaktikas. Protams, pietiekami lielos attālumos pievilcība kļūst tik maza, ka faktiski ir nulle.

Ņemot vērā gravitācijas nozīmīgumu aprakstīšanaikā mijiedarbojas visa matērija, sarunvalodas angļu valodas definīcijassmagums(pēc Oksfordas teiktā: "ārkārtēja vai satraucoša nozīme; nopietnība ") vaigravitas("cieņa, nopietnība vai veida svinīgums") iegūst papildu nozīmi. Tas nozīmē, ka, ja kāds atsaucas uz "situācijas smagumu", fiziķim joprojām var būt nepieciešams paskaidrojums: vai tie nozīmē lielu G vai mazu g?