Gravitatea (Fizică): Ce este și de ce este importantă?

Un student la fizică ar putea întâlni gravitația în fizică în două moduri diferite: ca accelerare datorată gravitație pe Pământ sau alte corpuri cerești sau ca forță de atracție între oricare două obiecte din univers. Într-adevăr, gravitația este una dintre cele mai fundamentale forțe din natură.

Sir Isaac Newton a elaborat legi pentru a le descrie pe amândouă. A doua lege a lui Newton (F_net = ma) se aplică oricărei forțe nete care acționează asupra unui obiect, inclusiv forței de gravitație experimentată în localizarea oricărui corp mare, cum ar fi o planetă. Legea gravitației universale a lui Newton, o lege pătrată inversă, explică atracția gravitațională sau atracția dintre oricare două obiecte.

Forța gravitațională experimentată de un obiect într-un câmp gravitațional este întotdeauna direcționată spre centrul masei care generează câmpul, cum ar fi centrul Pământului. În absența oricăror alte forțe, poate fi descris folosind relația newtonianăF_net = ma, UndeF_neteste forța gravitației în Newtons (N),

Orice obiecte din interiorul unui câmp gravitațional, cum ar fi toate rocile de pe Marte, experimentează același lucruaccelerație spre centrul câmpului​ ​acționând asupra maselor lor.Astfel, singurul factor care schimbă forța de greutate resimțită de diferite obiecte de pe aceeași planetă este masa lor: cu cât este mai mare masa, cu atât este mai mare forța de greutate și invers.

Forța gravitațieiestegreutatea sa în fizică, deși în mod colocvial greutatea este adesea utilizată diferit.

A doua lege a lui Newton,F_net = ma, arată că aforta netadetermină accelerarea unei mase. Dacă forța netă provine din gravitație, această accelerație se numește accelerație datorată gravitației; pentru obiectele din apropierea unor corpuri mari, cum ar fi planete, această accelerație este aproximativ constantă, ceea ce înseamnă că toate obiectele cad cu aceeași accelerație.

Aproape de suprafața Pământului, acestei constante i se dă propria variabilă specială:g. „Micul g”, ca.geste adesea numit, are întotdeauna o valoare constantă de 9,8 m / s². (Expresia „micul g” distinge această constantă de o altă constantă gravitațională importantă,G, sau „G mare”, care se aplică Legii Universale a Gravitației.) Orice obiect aruncat lângă suprafața Pământului va cad spre centrul Pământului cu o rată din ce în ce mai mare, fiecare secundă mergând cu 9,8 m / s mai repede decât a doua înainte.

Pe Pământ, forța gravitației asupra unui obiect de masămeste:

Astronauții ajung pe o planetă îndepărtată și consideră că este nevoie de opt ori mai multă forță pentru a ridica obiecte acolo decât pe Pământ. Care este accelerația datorată gravitației pe această planetă?

Pe această planetă forța gravitațională este de opt ori mai mare. Deoarece masele de obiecte sunt o proprietate fundamentală a acestor obiecte, ele nu se pot schimba, aceasta înseamnă valoarea luigtrebuie să fie și de opt ori mai mare:

Valoarea agpe Pământ este de 9,8 m / s², deci 8 × 9,8 m / s² = 78,4 m / s².

A doua dintre legile lui Newton care se aplică înțelegerii gravitației în fizică a rezultat din descurcarea lui Newton prin descoperirile altui fizician. El a încercat să explice de ce planetele sistemului solar au orbite eliptice mai degrabă decât orbite circulare, așa cum a fost observat și descris matematic de Johannes Kepler în setul său de legi omonime.

Newton a stabilit că atracțiile gravitaționale dintre planete, pe măsură ce se apropiau și se îndepărtau una de alta, jucau în mișcarea planetelor. Aceste planete erau de fapt în cădere liberă. El a cuantificat această atracție în a luiLegea universală a gravitației​:

UndeF_grav din nou este forța gravitației în Newtons (N),m₁șim₂sunt masele primului și celui de-al doilea obiect, respectiv, în kilograme (kg) (de exemplu, masa Pământului și masa obiectului lângă Pământ) șid²este pătratul distanței dintre ele în metri (m).

VariabilaG, numit „G mare”, este constanta gravitațională universală. Aceastaare aceeași valoare peste tot în univers. Newton nu a descoperit valoarea lui G (Henry Cavendish a găsit-o experimental după moartea lui Newton), dar a găsit proporționalitatea forței cu masa și distanța fără ea.

Ecuația arată două relații importante:

1. Cu cât fiecare obiect este mai masiv, cu atât atracția este mai mare. Dacă luna a fost bruscde două ori mai masivașa cum este acum, ar fi forța de atracție între Pământ și lunădubla​.
2. Cu cât obiectele sunt mai apropiate, cu atât este mai mare atracția. Deoarece masele sunt legate de distanța dintre elepătrat, forța atracțieicvadrupluride fiecare dată când sunt obiectelede două ori mai aproape. Dacă luna a fost bruscjumătate din distanțăpentru Pământ așa cum este acum, forța de atracție dintre Pământ și lună ar fide patru ori mai mare.​

Teoria lui Newton este cunoscută și sub numele delege pătrată inversădin cauza celui de-al doilea punct de mai sus. Acesta explică de ce atracția gravitațională dintre două obiecte scade repede pe măsură ce se separă, mult mai repede decât dacă schimbă masa uneia sau a ambelor.

Care este forța de atracție dintre o cometă de 8.000 kg care se află la 70.000 m distanță de o cometă de 200 kg?

Newton a făcut o muncă uimitoare care a prezis mișcarea obiectelor și a cuantificat forța gravitațională în anii 1600. Dar aproximativ 300 de ani mai târziu, o altă minte minunată - Albert Einstein - a provocat această gândire cu un mod nou și un mod mai precis de a înțelege gravitația.

Potrivit lui Einstein, gravitația este o distorsiune aspațiu timp, țesătura universului în sine. Masa deformează spațiul, ca o bilă de bowling, creează o liniuță pe o cearșaf de pat și obiecte mai masive, cum ar fi stelele sau găurile negre, se deformează spațiu cu efecte observate cu ușurință într-un telescop - îndoirea luminii sau o schimbare în mișcare a obiectelor apropiate de acele mase.

Teoria relativității generale a lui Einstein s-a dovedit cunoscută explicând de ce Mercur, planeta mică, cea mai apropiată la soare în sistemul nostru solar, are o orbită cu o diferență măsurabilă față de ceea ce este prezis de legile lui Newton.

În timp ce relativitatea generală este mai exactă în explicarea gravitației decât legile lui Newton, diferența în calcule folosind oricare este vizibil în cea mai mare parte numai la scări „relativiste” - privind la obiecte extrem de masive din cosmos sau la o lumină aproape viteze. Prin urmare, legile lui Newton rămân utile și relevante astăzi în descrierea multor situații din lumea reală pe care omul mediu este probabil să le întâmpine.

Partea „universală” a Legii Gravitației Universale a lui Newton nu este hiperbolică. Această lege se aplică tuturor lucrurilor din univers cu o masă! Orice două particule se atrag una pe cealaltă, la fel ca orice două galaxii. Desigur, la distanțe suficient de mari, atracția devine atât de mică încât să fie efectiv zero.

Având în vedere cât de importantă este gravitația pentru a descriemodul în care interacționează toată materia, definițiile colocviale în engleză alegravitatie(conform Oxford: „importanță extremă sau alarmantă; seriozitate ") saugravitas(„demnitatea, seriozitatea sau solemnitatea manierei”) capătă o semnificație suplimentară. Acestea fiind spuse, atunci când cineva se referă la „gravitatea unei situații”, un fizician ar putea avea în continuare nevoie de clarificări: înseamnă în termeni de G mare sau g mic?