Gravidade (física): o que é e por que é importante?

Um estudante de física pode encontrar a gravidade na física de duas maneiras diferentes: como a aceleração devido a gravidade na Terra ou outros corpos celestes, ou como a força de atração entre quaisquer dois objetos no universo. Na verdade, a gravidade é uma das forças mais fundamentais da natureza.

Sir Isaac Newton desenvolveu leis para descrever ambos. Segunda Lei de Newton (F_internet = ma) se aplica a qualquer força resultante atuando sobre um objeto, incluindo a força da gravidade experimentada no local de qualquer corpo grande, como um planeta. A Lei da Gravitação Universal de Newton, uma lei do inverso do quadrado, explica a atração ou atração gravitacional entre quaisquer dois objetos.

A força gravitacional experimentada por um objeto dentro de um campo gravitacional é sempre direcionada para o centro da massa que está gerando o campo, como o centro da Terra. Na ausência de quaisquer outras forças, pode ser descrito usando a relação newtonianaF_internet = ma, Onde

Quaisquer objetos dentro de um campo gravitacional, como todas as rochas em Marte, experimentam o mesmoaceleração em direção ao centro do campo​ ​agindo em suas massas.Assim, o único fator que altera a força da gravidade sentida por diferentes objetos no mesmo planeta é sua massa: quanto mais massa, maior a força da gravidade e vice-versa.

A força da gravidadeéseu peso na física, embora coloquialmente o peso seja freqüentemente usado de maneira diferente.

Segunda Lei de Newton,F_internet = ma, mostra que umforça resultantefaz com que uma massa acelere. Se a força resultante é da gravidade, essa aceleração é chamada de aceleração devido à gravidade; para objetos próximos a determinados corpos grandes, como planetas, essa aceleração é aproximadamente constante, o que significa que todos os objetos caem com a mesma aceleração.

Perto da superfície da Terra, esta constante recebe sua própria variável especial:g. "Little g," comogé frequentemente chamado, sempre tem um valor constante de 9,8 m / s². (A frase "pequeno g" distingue esta constante de outra importante constante gravitacional,G, ou "grande G", que se aplica à Lei Universal da Gravitação.) Qualquer objeto caído perto da superfície da Terra irá caem em direção ao centro da Terra em uma taxa cada vez maior, cada segundo indo 9,8 m / s mais rápido do que o segundo anterior.

Na Terra, a força da gravidade em um objeto de massamé:

Os astronautas chegam a um planeta distante e descobrem que é preciso oito vezes mais força para levantar objetos do que na Terra. Qual é a aceleração da gravidade neste planeta?

Neste planeta, a força da gravidade é oito vezes maior. Uma vez que as massas de objetos são uma propriedade fundamental desses objetos, eles não podem mudar, o que significa que o valor degdeve ser oito vezes maior também:

O valor degna Terra é 9,8 m / s², então 8 × 9,8 m / s² = 78,4 m / s².

A segunda das leis de Newton que se aplicam à compreensão da gravidade na física resultou da intrigância de Newton por meio das descobertas de outro físico. Ele estava tentando explicar por que os planetas do sistema solar têm órbitas elípticas em vez de órbitas circulares, conforme observado e matematicamente descrito por Johannes Kepler em seu conjunto de leis epônimas.

Newton determinou que as atrações gravitacionais entre os planetas, à medida que se aproximavam e se distanciavam um do outro, influenciavam o movimento dos planetas. Esses planetas estavam de fato em queda livre. Ele quantificou essa atração em seuLei da Gravitação Universal​:

OndeF_grav novamente é a força da gravidade em Newtons (N),m₁em₂são as massas do primeiro e do segundo objetos, respectivamente, em quilogramas (kg) (por exemplo, a massa da Terra e a massa do objeto perto da Terra), ed²é o quadrado da distância entre eles em metros (m).

A variávelG, chamado de "grande G", é a constante gravitacional universal. Istotem o mesmo valor em qualquer lugar do universo. Newton não descobriu o valor de G (Henry Cavendish o encontrou experimentalmente após a morte de Newton), mas descobriu a proporcionalidade da força para a massa e distância sem ele.

A equação mostra duas relações importantes:

1. Quanto mais massivo for o objeto, maior será a atração. Se a lua fosse de repenteduas vezes mais massivocomo está agora, a força de atração entre a Terra e a lua seriaDuplo​.
2. Quanto mais próximos os objetos estiverem, maior será a atração. Porque as massas estão relacionadas pela distância entre elasquadrado, a força de atraçãoquádruplostoda vez que os objetos sãoduas vezes mais perto. Se a lua fosse de repentemetade da distânciapara a Terra como está agora, a força de atração entre a Terra e a lua seriaquatro vezes maior.​

A teoria de Newton também é conhecida como umlei do inverso quadradopor causa do segundo ponto acima. Isso explica por que a atração gravitacional entre dois objetos diminui rapidamente à medida que eles se separam, muito mais rapidamente do que se mudasse a massa de um ou de ambos.

Qual é a força de atração entre um cometa de 8.000 kg que está a 70.000 m de um cometa de 200 kg?

Newton fez um trabalho incrível prevendo o movimento de objetos e quantificando a força da gravidade no século XVII. Mas cerca de 300 anos depois, outra grande mente - Albert Einstein - desafiou esse pensamento com uma nova e mais precisa maneira de entender a gravidade.

De acordo com Einstein, a gravidade é uma distorção deespaço-tempo, o tecido do próprio universo. A massa distorce o espaço, como uma bola de boliche cria uma reentrância no lençol, e objetos mais massivos, como estrelas ou buracos negros, distorcem espaço com efeitos facilmente observáveis ​​em um telescópio - a curvatura da luz ou uma mudança no movimento de objetos próximos a essas massas.

A teoria da relatividade geral de Einstein ficou famosa ao explicar por que Mercúrio, o minúsculo planeta mais próximo ao sol em nosso sistema solar, tem uma órbita com uma diferença mensurável do que é previsto pelas Leis de Newton.

Embora a relatividade geral seja mais precisa para explicar a gravidade do que as Leis de Newton, a diferença nos cálculos usando qualquer uma delas é perceptível na maior parte apenas em escalas "relativísticas" - olhando para objetos extremamente massivos no cosmos, ou uma luz próxima velocidades. Portanto, as Leis de Newton permanecem úteis e relevantes hoje em dia na descrição de muitas situações do mundo real que o ser humano médio provavelmente encontrará.

A parte "universal" da Lei da Gravitação Universal de Newton não é hiperbólica. Esta lei se aplica a tudo no universo com uma massa! Quaisquer duas partículas se atraem, assim como quaisquer duas galáxias. É claro que, em distâncias grandes o suficiente, a atração se torna tão pequena que chega a ser efetivamente zero.

Dada a importância da gravidade para descrevercomo toda matéria interage, as definições coloquiais em inglês degravidade(de acordo com Oxford: "importância extrema ou alarmante; seriedade ") ougravitas("dignidade, seriedade ou solenidade de maneiras") assumem significado adicional. Dito isso, quando alguém se refere à "gravidade de uma situação", um físico ainda pode precisar de esclarecimento: eles querem dizer em termos de G grande ou g pequeno?