Гравитация (физика): что это такое и почему это важно?

Студент-физик может столкнуться с гравитацией в физике двумя разными способами: как ускорение из-за гравитации на Земле или других небесных телах, или как сила притяжения между любыми двумя объектами в Вселенная. Действительно, гравитация - одна из самых фундаментальных сил в природе.

Сэр Исаак Ньютон разработал законы, описывающие и то, и другое. Второй закон Ньютона (F_сеть = ма) применяется к любой чистой силе, действующей на объект, включая силу тяжести, испытываемую в месте расположения любого большого тела, такого как планета. Закон всемирного тяготения Ньютона, закон обратных квадратов, объясняет гравитационное притяжение или притяжение между любыми двумя объектами.

Гравитационная сила, испытываемая объектом в гравитационном поле, всегда направлена ​​к центру массы, которая генерирует поле, например к центру Земли. В отсутствие каких-либо других сил его можно описать с помощью соотношения НьютонаF_сеть = ма, гдеF_сетьсила тяжести в Ньютонах (Н),ммасса в килограммах (кг) иаускорение свободного падения в м / с².

Любые объекты внутри гравитационного поля, такие как все камни на Марсе, испытывают то же самое.ускорение к центру поля​ ​действуя на их массы.Таким образом, единственным фактором, который изменяет силу тяжести, воспринимаемую разными объектами на одной и той же планете, является их масса: чем больше масса, тем больше сила тяжести и наоборот.

Сила тяжестиявляетсяего вес в физике, хотя в просторечии вес часто используется по-другому.

Второй закон Ньютона,F_сеть = ма, показывает, чторавнодействующая силазаставляет массу ускоряться. Если чистая сила от силы тяжести, это ускорение называется ускорением силы тяжести; для объектов, находящихся рядом с определенными крупными телами, такими как планеты, это ускорение приблизительно постоянно, что означает, что все объекты падают с одинаковым ускорением.

У поверхности Земли этой постоянной присваивается собственная особая переменная:грамм. "Little g", какграммчасто называется, всегда имеет постоянное значение 9,8 м / с². (Фраза "маленький g" отличает эту постоянную от другой важной гравитационной постоянной,грамм, или «большая буква G», что относится к универсальному закону тяготения.) Любой объект, упавший около поверхности Земли, будет падают к центру Земли с постоянно увеличивающейся скоростью, каждую секунду на 9,8 м / с быстрее, чем в предыдущую секунду.

На Земле сила тяжести на объекте массымявляется:

Астронавты достигают далекой планеты и обнаруживают, что для подъема объектов требуется в восемь раз больше силы, чем на Земле. Какое ускорение свободного падения на этой планете?

На этой планете сила тяжести в восемь раз больше. Поскольку массы объектов являются фундаментальным свойством этих объектов, они не могут измениться, это означает, что значениеграммтоже должно быть в восемь раз больше:

Значениеграммна Земле 9,8 м / с², поэтому 8 × 9,8 м / с² = 78,4 м / с².

Второй из законов Ньютона, применимый к пониманию гравитации в физике, возник в результате того, что Ньютон сбил с толку открытия другого физика. Он пытался объяснить, почему планеты Солнечной системы имеют эллиптические орбиты, а не круговые, как это наблюдал и математически описывал Иоганн Кеплер в его своде одноименных законов.

Ньютон определил, что гравитационное притяжение между планетами по мере их приближения и удаления друг от друга влияет на движение планет. Эти планеты действительно находились в свободном падении. Он количественно оценил это влечение в своемУниверсальный закон тяготения​:

ГдеF_{гравитация} снова сила тяжести в Ньютонах (Н),м₁а такжем₂- массы первого и второго объектов, соответственно, в килограммах (кг) (например, масса Земли и масса объекта вблизи Земли), иd²это квадрат расстояния между ними в метрах (м).

Переменнаяграмм, называемая «большой G», - это универсальная гравитационная постоянная. Этоимеет одинаковую ценность повсюду во Вселенной. Ньютон не открыл значение G (Генри Кавендиш обнаружил его экспериментально после смерти Ньютона), но он обнаружил пропорциональность силы массе и расстоянию без нее.

Уравнение показывает две важные взаимосвязи:

1. Чем массивнее любой объект, тем больше притяжение. Если бы луна была внезапновдвое массивнеев настоящее время сила притяжения между Землей и Луной будетдвойной​.
2. Чем ближе объекты, тем больше притяжение. Потому что массы связаны расстоянием между нимив квадрате, сила притяжениячетверкикаждый раз, когда объектывдвое ближе. Если бы луна была внезапнополовина расстоянияк Земле, как сейчас, сила притяжения между Землей и Луной была быв четыре раза больше.​

Теория Ньютона также известна какзакон обратных квадратовиз-за второго пункта выше. Это объясняет, почему гравитационное притяжение между двумя объектами быстро спадает, когда они разделяются, гораздо быстрее, чем при изменении массы одного или обоих.

Какова сила притяжения кометы массой 8000 кг, которая находится на расстоянии 70 000 м от кометы массой 200 кг?

Ньютон проделал потрясающую работу по предсказанию движения объектов и количественной оценке силы тяжести в 1600-х годах. Но примерно 300 лет спустя другой великий ум - Альберт Эйнштейн - бросил вызов этому мышлению, предложив новый и более точный способ понимания гравитации.

Согласно Эйнштейну, гравитация - это искажениепространство-время, ткань самой Вселенной. Масса искажает пространство, как шар для боулинга создает выемку на простыне, а более массивные объекты, такие как звезды или черные дыры, искажаются. пространство с эффектами, которые легко наблюдаются в телескоп - искривление света или изменение движения объектов, близких к этим массам.

Общая теория относительности Эйнштейна хорошо зарекомендовала себя, объяснив, почему Меркурий, самая близкая к ней планета, к Солнцу в нашей Солнечной системе, имеет орбиту с измеримым отличием от того, что предсказывают Законы Ньютона.

Хотя общая теория относительности более точно объясняет гравитацию, чем законы Ньютона, разница в вычислениях с использованием любого из них составляет заметна по большей части только в «релятивистских» масштабах - глядя на чрезвычайно массивные объекты в космосе или на ближний свет скорости. Поэтому законы Ньютона остаются полезными и актуальными сегодня при описании многих реальных ситуаций, с которыми может столкнуться средний человек.

«Универсальная» часть универсального закона тяготения Ньютона не является гиперболической. Этот закон применим ко всему во Вселенной, имеющей массу! Любые две частицы притягиваются друг к другу, как и любые две галактики. Конечно, на достаточно больших расстояниях притяжение становится настолько малым, что фактически становится равным нулю.

Учитывая, насколько важна гравитация для описаниякак все материи взаимодействуют, разговорные английские определениясила тяжести(согласно Оксфорду: «чрезвычайное или тревожное значение; серьезность ") илиавторитет(«достоинство, серьезность или торжественность поведения») приобретают дополнительное значение. Тем не менее, когда кто-то ссылается на «серьезность ситуации», физику все же может потребоваться пояснение: имеют ли они в виду большие или маленькие g?