Tyngdekraft (fysikk): Hva er det og hvorfor er det viktig?

En fysikkstudent kan møte tyngdekraften i fysikk på to forskjellige måter: som akselerasjonen pga tyngdekraften på jorden eller andre himmellegemer, eller som tiltrekningskraft mellom to gjenstander i univers. Faktisk er tyngdekraften en av de mest grunnleggende kreftene i naturen.

Sir Isaac Newton utviklet lover for å beskrive begge deler. Newtons andre lov (F_nett = ma) gjelder enhver nettokraft som virker på et objekt, inkludert tyngdekraften som oppleves i lokalene til en hvilken som helst stor kropp, for eksempel en planet. Newtons lov om universell gravitasjon, en omvendt firkantet lov, forklarer tyngdekraften eller tiltrekningen mellom to objekter.

Gravitasjonskraften som et objekt opplever i et gravitasjonsfelt er alltid rettet mot sentrum av massen som genererer feltet, for eksempel jordens sentrum. I fravær av andre krefter, kan det beskrives ved hjelp av det newtonske forholdetF_nett = ma, hvorF_netter tyngdekraften i Newton (N),mer masse i kg (kg) ogener akselerasjon på grunn av tyngdekraften i m / s².

Eventuelle gjenstander i et gravitasjonsfelt, for eksempel alle bergarter på Mars, opplever det sammeakselerasjon mot midten av feltet​ ​handler på massene sine.Dermed er den eneste faktoren som endrer tyngdekraften som føls av forskjellige objekter på samme planet deres masse: Jo mer masse, jo større er tyngdekraften og omvendt.

Tyngdekraftenervekten i fysikk, men ofte brukes vekten annerledes.

Newtons andre lov,F_nett = ma, viser at ennettokraftfår en masse til å akselerere. Hvis nettokraften er fra tyngdekraften, kalles denne akselerasjonen akselerasjon på grunn av tyngdekraften; for gjenstander nær bestemte store kropper som planeter er denne akselerasjonen omtrent konstant, noe som betyr at alle objekter faller med samme akselerasjon.

Nær jordens overflate får denne konstanten sin egen spesielle variabel:g. "Lille g," somgkalles ofte, har alltid en konstant verdi på 9,8 m / s². (Uttrykket "liten g" skiller denne konstanten fra en annen viktig gravitasjonskonstant,G, eller "stor G", som gjelder den universelle loven om gravitasjon.) Ethvert objekt som faller nær jordens overflate vil faller mot midten av jorden i stadig økende hastighet, hvert sekund går 9,8 m / s raskere enn det andre før.

På jorden tyngdekraften på et masseobjektmer:

Astronauter når en fjern planet og synes det tar åtte ganger så mye kraft å løfte gjenstander der enn det gjør på jorden. Hva er akselerasjonen på grunn av tyngdekraften på denne planeten?

På denne planeten er tyngdekraften åtte ganger større. Siden massene av objekter er en grunnleggende egenskap for disse objektene, kan de ikke endres, det betyr verdien avgmå også være åtte ganger større:

Verdien avgpå jorden er 9,8 m / s², så 8 × 9,8 m / s² = 78,4 m / s².

Den andre av Newtons lover som gjelder for å forstå tyngdekraften i fysikk, skyldes at Newton forvirret gjennom en annen fysikers funn. Han prøvde å forklare hvorfor solsystemets planeter har elliptiske baner i stedet for sirkulære baner, som observert og matematisk beskrevet av Johannes Kepler i hans sett med eponyme lover.

Newton bestemte at gravitasjonsattraksjonene mellom planetene når de kom nærmere og lenger fra hverandre, spilte inn i planetenes bevegelse. Disse planetene var faktisk i fritt fall. Han kvantifiserte denne attraksjonen i sinUniversal Gravitation Law​:

HvorF_grav igjen er tyngdekraften i Newton (N),m₁ogm₂er massene til henholdsvis det første og det andre objektet i kilogram (kg) (for eksempel jordens masse og massen til objektet nær jorden), ogd²er kvadratet av avstanden mellom dem i meter (m).

VariabelenG, kalt "stor G", er den universelle gravitasjonskonstanten. Denhar samme verdi overalt i universet. Newton oppdaget ikke verdien av G (Henry Cavendish fant den eksperimentelt etter Newtons død), men han fant proporsjonaliteten av kraft til masse og avstand uten den.

Ligningen viser to viktige forhold:

1. Jo mer massivt objektet er, jo større er attraksjonen. Hvis månen plutselig vardobbelt så massivslik det er nå, ville tiltrekningskraften mellom jorden og månendobbelt​.
2. Jo nærmere objektene er, jo større er attraksjonen. Fordi massene er relatert av avstanden mellom demkvadrat, tiltrekningskraftenfirdoblerhver gang gjenstandene erdobbelt så nær. Hvis månen plutselig varhalve distansentil jorden slik den er nå, ville tiltrekningskraften mellom jorden og månen værefire ganger større.​

Newtons teori er også kjent som eninvers kvadratisk lovpå grunn av det andre punktet ovenfor. Det forklarer hvorfor gravitasjonsattraksjonen mellom to objekter faller raskt når de skilles, mye raskere enn om du endrer massen til den ene eller begge.

Hva er tiltrekningskraften mellom en 8.000 kg komet som er 70.000 m fra en 200 kg komet?

Newton gjorde fantastisk arbeid med å forutsi bevegelse av objekter og kvantifisere tyngdekraften på 1600-tallet. Men omtrent 300 år senere utfordret et annet stort sinn - Albert Einstein - denne tankegangen med en ny måte og mer nøyaktig måte å forstå tyngdekraften på.

Ifølge Einstein er tyngdekraften en forvrengning avromtid, stoffet i selve universet. Masse vrir plass, som en bowlingkule skaper et innrykk på et laken, og mer massive gjenstander som stjerner eller sorte hull rom med effekter som lett observeres i et teleskop - bøying av lys eller endring i bevegelse av gjenstander nær disse massene.

Einsteins generelle relativitetsteori beviste seg kjent ved å forklare hvorfor Merkur, den lille planeten nærmest til solen i vårt solsystem, har en bane med en målbar forskjell fra det som er spådd av Newtons lover.

Mens generell relativitet er mer nøyaktig når det gjelder å forklare tyngdekraften enn Newtons lover, er forskjellen i beregninger som bruker en av dem merkbar for det meste bare på "relativistiske" skalaer - ser på ekstremt massive gjenstander i kosmos, eller et nærlys hastigheter. Derfor er Newtons lover fortsatt nyttige og relevante i dag når det gjelder å beskrive mange situasjoner i virkeligheten som det gjennomsnittlige mennesket sannsynligvis vil møte.

Den "universelle" delen av Newtons universelle lov om gravitasjon er ikke hyperbolsk. Denne loven gjelder for alt i universet med en masse! Eventuelle to partikler tiltrekker hverandre, det samme gjør to galakser. Selvfølgelig, på store nok avstander, blir attraksjonen så liten at den faktisk er null.

Gitt hvor viktig tyngdekraften er å beskrivehvordan all materie samhandler, de engelskspråklige definisjonene avtyngdekraften(ifølge Oxford: "ekstrem eller alarmerende betydning; alvor ") ellergravitas("verdighet, alvor eller høytidelighet") får ytterligere betydning. Når det er sagt, når noen refererer til "alvoret i en situasjon", kan en fysiker fremdeles trenge avklaring: Mener de i form av stor G eller liten g?