Grawitacja (fizyka): co to jest i dlaczego jest ważna?

Student fizyki może napotkać grawitację w fizyce na dwa różne sposoby: jako przyspieszenie spowodowane due grawitacja na Ziemi lub innych ciałach niebieskich, lub jako siła przyciągania między dowolnymi dwoma obiektami w wszechświat. Rzeczywiście grawitacja jest jedną z najbardziej podstawowych sił natury.

Sir Isaac Newton opracował prawa opisujące oba. Drugie prawo Newtona (fa_netto = ma) ma zastosowanie do każdej siły działającej na obiekt, w tym siły grawitacji występującej w lokalizacji dowolnego dużego ciała, takiego jak planeta. Prawo Uniwersalnej Grawitacji Newtona, prawo odwrotnego kwadratu, wyjaśnia przyciąganie grawitacyjne pomiędzy dowolnymi dwoma obiektami.

Siła grawitacyjna doświadczana przez obiekt w polu grawitacyjnym jest zawsze skierowana w stronę środka masy generującej pole, takiego jak środek Ziemi. W przypadku braku innych sił można to opisać za pomocą zależności Newtonafa_netto = ma, gdziefa_nettojest siłą grawitacji w Newtonach (N),mto masa w kilogramach (kg) izato przyspieszenie ziemskie w m/s².

Wszelkie obiekty w polu grawitacyjnym, takie jak wszystkie skały na Marsie, doświadczają tego samegoprzyspieszenie w kierunku środka pola​ ​działając na ich masy.Zatem jedynym czynnikiem, który zmienia siłę grawitacji odczuwaną przez różne obiekty na tej samej planecie, jest ich masa: im większa masa, tym większa siła grawitacji i odwrotnie.

Siła grawitacjijestjego waga w fizyce, choć potocznie waga jest często używana inaczej.

Drugie Prawo Newtona,fa_netto = mapokazuje, żesiła wypadkowapowoduje przyspieszenie masy. Jeśli siła wypadkowa pochodzi z grawitacji, przyspieszenie to nazywa się przyspieszeniem grawitacyjnym; dla obiektów w pobliżu szczególnie dużych ciał, takich jak planety, przyspieszenie to jest w przybliżeniu stałe, co oznacza, że ​​wszystkie obiekty spadają z tym samym przyspieszeniem.

W pobliżu powierzchni Ziemi ta stała ma swoją własną specjalną zmienną:sol. „Małe g”, jaksoljest często nazywany, zawsze ma stałą wartość 9,8 m/s². (Wyrażenie „małe g” odróżnia tę stałą od innej ważnej stałej grawitacyjnej,sollub „duże G”, które odnosi się do Uniwersalnego Prawa Grawitacji). Każdy obiekt upuszczony w pobliżu powierzchni Ziemi spadać w kierunku środka Ziemi w coraz szybszym tempie, z każdą sekundą poruszając się o 9,8 m/s szybciej niż poprzednia.

Na Ziemi siła grawitacji działająca na obiekt o masiemjest:

Astronauci docierają do odległej planety i odkrywają, że podnoszenie tam obiektów wymaga ośmiokrotnie większej siły niż na Ziemi. Jakie jest przyspieszenie grawitacyjne na tej planecie?

Na tej planecie siła grawitacji jest ośmiokrotnie większa. Ponieważ masy obiektów są podstawową właściwością tych obiektów, nie mogą się one zmieniać, co oznacza wartośćsolmusi być również osiem razy większy:

Wartośćsolna Ziemi wynosi 9,8 m/s², czyli 8 × 9,8 m/s² = 78,4 m/s².

Drugie z praw Newtona, które mają zastosowanie do zrozumienia grawitacji w fizyce, wynikało z tego, że Newton zastanawiał się nad odkryciami innego fizyka. Próbował wyjaśnić, dlaczego planety Układu Słonecznego mają orbity eliptyczne, a nie kołowe, jak zaobserwował i matematycznie opisał Johannes Kepler w swoim zbiorze praw o tej samej nazwie.

Newton ustalił, że przyciąganie grawitacyjne między planetami w miarę zbliżania się i oddalania od siebie wpływa na ruch planet. Te planety w rzeczywistości spadały swobodnie. Oszacował tę atrakcyjność w swoimUniwersalne Prawo Grawitacji​:

Gdziefa_grav znowu jest siła grawitacji w Newtonach (N),m₁im₂to masy odpowiednio pierwszego i drugiego obiektu w kilogramach (kg) (na przykład masa Ziemi i masa obiektu w pobliżu Ziemi) orazre²to kwadrat odległości między nimi w metrach (m).

Zmiennasol, zwany „dużym G”, jest uniwersalną stałą grawitacyjną. Toma tę samą wartość wszędzie we wszechświecie. Newton nie odkrył wartości G (Henry Cavendish odkrył ją eksperymentalnie po śmierci Newtona), ale odkrył proporcjonalność siły do ​​masy i odległości bez niej.

Równanie pokazuje dwie ważne zależności:

1. Im bardziej masywny jest jeden z obiektów, tym większa atrakcja. Gdyby księżyc pojawił się nagledwa razy bardziej masywnytak jak teraz, siła przyciągania między Ziemią a Księżycempodwójnie​.
2. Im bliżej obiekty, tym większa atrakcja. Ponieważ masy są powiązane odległością między nimido kwadratu, siła przyciąganiaczwórkiza każdym razem, gdy przedmioty sądwa razy bliżej. Gdyby księżyc pojawił się naglepołowa odległościna Ziemię taką, jaka jest teraz, siła przyciągania między Ziemią a Księżycem byłabycztery razy większy.​

Teoria Newtona jest również znana jako anprawa odwrotnych kwadratówz powodu drugiego punktu powyżej. Wyjaśnia, dlaczego przyciąganie grawitacyjne między dwoma obiektami szybko spada, gdy się rozdzielają, znacznie szybciej niż w przypadku zmiany masy jednego lub obu z nich.

Jaka jest siła przyciągania między 8000 kg kometą, która znajduje się 70 000 m od komety 200 kg?

Newton wykonał niesamowitą pracę przewidując ruch obiektów i ilościowo obliczając siłę grawitacji w XVII wieku. Ale mniej więcej 300 lat później inny wielki umysł - Albert Einstein - zakwestionował to myślenie w nowy i dokładniejszy sposób rozumienia grawitacji.

Według Einsteina grawitacja jest zniekształceniemczas, przestrzeń, tkanka samego wszechświata. Masa wypacza przestrzeń, jak kula do kręgli tworzy wcięcie na prześcieradle, a bardziej masywne obiekty, takie jak gwiazdy lub czarne dziury, wypaczają przestrzeń z efektami łatwo obserwowanymi w teleskopie - zagięciem światła lub zmianą ruchu obiektów znajdujących się blisko tych mas.

Ogólna teoria względności Einsteina okazała się słynna, wyjaśniając, dlaczego Merkury, maleńka planeta najbliżej do Słońca w naszym Układzie Słonecznym ma orbitę z mierzalną różnicą od przewidywanej przez prawa Newtona.

Chociaż ogólna teoria względności jest dokładniejsza w wyjaśnianiu grawitacji niż prawa Newtona, różnica w obliczeniach przy użyciu jednego z nich wynosi zauważalne w przeważającej części tylko w skalach „relatywistycznych” - patrząc na niezwykle masywne obiekty w kosmosie, czy bliskie światło prędkości. Dlatego prawa Newtona pozostają dziś przydatne i aktualne w opisywaniu wielu sytuacji w świecie rzeczywistym, z jakimi może spotkać się przeciętny człowiek.

„Powszechna” część Uniwersalnego Prawa Grawitacji Newtona nie jest hiperboliczna. To prawo dotyczy wszystkiego we wszechświecie o masie! Dowolne dwie cząstki przyciągają się nawzajem, podobnie jak dwie dowolne galaktyki. Oczywiście przy wystarczająco dużych odległościach przyciąganie staje się tak małe, że praktycznie wynosi zero.

Biorąc pod uwagę, jak ważna jest grawitacja w opisiejak cała materia oddziałuje?, potoczne angielskie definicjepowaga(według Oksfordu: „ekstremalne lub alarmujące znaczenie; powaga") lubpowaga(„godność, powaga lub powaga obyczajowa”) nabierają dodatkowego znaczenia. To powiedziawszy, kiedy ktoś odnosi się do „poważności sytuacji”, fizyk może nadal potrzebować wyjaśnienia: czy mają na myśli duże G czy małe g?