Gravitacija (fizika): kaj je to in zakaj je to pomembno?

Študent fizike se lahko v fiziki sreča z gravitacijo na dva različna načina: kot pospešek zaradi gravitacija na Zemlji ali drugih nebesnih telesih ali kot sila privlačnosti med katerima koli objektoma v vesolje. Dejansko je gravitacija ena najbolj temeljnih sil v naravi.

Sir Isaac Newton je razvil zakone, ki opisujejo oboje. Newtonov drugi zakon (F_mreža = ma) velja za katero koli neto silo, ki deluje na objekt, vključno s silo gravitacije, ki se pojavi v krajih katerega koli velikega telesa, kot je planet. Newtonov zakon o univerzalni gravitaciji, inverzni kvadratni zakon, pojasnjuje gravitacijski vlek ali privlačnost med katerima koli dvema predmetoma.

Gravitacijska sila, ki jo občuti predmet znotraj gravitacijskega polja, je vedno usmerjena proti središču mase, ki ustvarja polje, kot je središče Zemlje. Če ni drugih sil, ga lahko opišemo z Newtonovim odnosomF_mreža = ma, kjeF_mrežaje sila teže v Newtonih (N),mje masa v kilogramih (kg) inaje pospešek zaradi gravitacije v m / s².

Vsi predmeti znotraj gravitacijskega polja, kot so vse kamnine na Marsu, doživljajo enakopospešek proti sredini polja​ ​ki delujejo na njihove množice.Tako je edini dejavnik, ki spremeni silo gravitacije, ki jo čutijo različni predmeti na istem planetu, njihova masa: večja je masa, večja je sila gravitacije in obratno.

Sila gravitacijejenjegova teža v fiziki, čeprav se pogovorna teža pogosto uporablja drugače.

Newtonov drugi zakon,F_mreža = ma, kaže, da aneto silapovzroči, da se masa pospeši. Če je neto sila iz gravitacije, se temu pospešku reče gravitacija; za predmete v bližini določenih velikih teles, kot so planeti, je ta pospešek približno konstanten, kar pomeni, da vsi predmeti padajo z enakim pospeškom.

V bližini zemeljskega površja ima ta konstanta svojo posebno spremenljivko:g. "Mali g", kotgpogosto imenujemo, ima vedno konstantno vrednost 9,8 m / s². (Beseda "mali g" razlikuje to konstanto od druge pomembne gravitacijske konstante,G, ali "velik G", ki velja za Univerzalni gravitacijski zakon.) Vsak predmet, ki se spusti blizu površine Zemlje, bo padajo proti središču Zemlje z vedno večjo hitrostjo, vsako sekundo gre 9,8 m / s hitreje kot drugo prej.

Na Zemlji sila teže na masni predmetmje:

Astronavti dosežejo oddaljeni planet in ugotovijo, da potrebuje osemkrat več sile, da tam dvigne predmete kot na Zemlji. Kakšen je pospešek zaradi gravitacije na tem planetu?

Na tem planetu je sila gravitacije osemkrat večja. Ker so mase predmetov temeljna lastnost teh predmetov, se ne morejo spremeniti, kar pomeni vrednostgmora biti tudi osemkrat večja:

Vrednostgna Zemlji znaša 9,8 m / s², torej 8 × 9,8 m / s² = 78,4 m / s².

Drugi Newtonov zakon, ki velja za razumevanje gravitacije v fiziki, je bil posledica Newtonovega zmede skozi ugotovitve drugega fizika. Poskušal je pojasniti, zakaj imajo planeti sončnega sistema eliptične orbite in ne krožne, kot je opazil in matematično opisal Johannes Kepler v svojem nizu istoimenskih zakonov.

Newton je ugotovil, da gravitacijske privlačnosti med planeti, ko se približujejo in se oddaljujejo drug od drugega, igrajo gibanje planetov. Ti planeti so bili v resnici v prostem padu. To privlačnost je opredelil v svojemUniverzalni gravitacijski zakon​:

KjeF_grav spet je sila teže v Newtonih (N),m₁inm₂so mase prvega in drugega predmeta v kilogramih (kg) (na primer masa Zemlje in masa predmeta v bližini Zemlje) ind²je kvadrat razdalje med njimi v metrih (m).

SpremenljivkaG, imenovano "veliki G", je univerzalna gravitacijska konstanta. Toima enako vrednost povsod v vesolju. Newton vrednosti G ni odkril (Henry Cavendish jo je eksperimentalno našel po Newtonovi smrti), vendar je našel sorazmernost sile z maso in razdaljo brez nje.

Enačba prikazuje dva pomembna razmerja:

1. Bolj ko je en predmet masiven, večja je privlačnost. Če bi bila luna nenadomadvakrat večjitako kot je zdaj, bi sila privlačnosti med Zemljo in Lunodvojno​.
2. Bližje kot so predmeti, večja je privlačnost. Ker so mase povezane z razdaljo med njimina kvadrat, sila privlačnostičetvericevsakič, ko so predmetidvakrat bližje. Če bi bila luna nenadomapolovica razdaljena Zemljo, kakršna je zdaj, bi bila sila privlačnosti med Zemljo in Lunoštirikrat večji.​

Newtonova teorija je znana tudi kotinverzni kvadratni zakonzaradi druge točke zgoraj. Pojasnjuje, zakaj gravitacijsko privlačnost med dvema predmetoma hitro pade, ko se ločujeta, veliko hitreje, kot če spremenimo maso enega ali obeh.

Kakšna je sila privlačnosti med 8000-kilogramskim kometom, ki je oddaljen 70.000 m od 200-kilogramskega kometa?

Newton je v 1600-ih naredil neverjetno delo, napovedoval gibanje predmetov in kvantificiral silo gravitacije. Toda približno 300 let kasneje je še en velik um - Albert Einstein - to razmišljanje izpodbijal z novim in natančnejšim načinom razumevanja gravitacije.

Po Einsteinu je gravitacija izkrivljanjeprostor-čas, tkanina samega vesolja. Množična deformacija prostora, kot kegljanje, ustvari vdolbino na posteljnini, bolj masivni predmeti, kot so zvezde ali črne luknje, pa se ukrivijo prostor z učinki, ki jih zlahka opazimo v teleskopu - upogibanje svetlobe ali sprememba gibanja predmetov blizu teh mas.

Einsteinova teorija splošne relativnosti se je izkazala s pojasnilom, zakaj je Merkur, najbližji majhen planet do sonca v našem sončnem sistemu ima orbito z merljivo razliko od tiste, ki jo predvidevajo Newtonovi zakoni.

Medtem ko je splošna relativnost bolj natančna pri razlagi gravitacije kot Newtonovi zakoni, je razlika v izračunih z uporabo obeh opazen večinoma le na "relativističnih" lestvicah - gledanje izjemno masivnih predmetov v kozmosu ali skoraj svetlobe hitrosti. Zato Newtonovi zakoni ostajajo koristni in pomembni tudi danes pri opisovanju številnih situacij v resničnem svetu, s katerimi se bo povprečen človek verjetno srečal.

"Univerzalni" del Newtonovega univerzalnega gravitacijskega zakona ni hiperboličen. Ta zakon velja za vse v vesolju z maso! Katera koli dva delca se privlačita, tako kot kateri koli drugi galaksiji. Seveda na dovolj velikih razdaljah privlačnost postane tako majhna, da je dejansko nič.

Glede na to, kako pomembna je gravitacija za opiskako vsa materija sodeluje, pogovorne angleške opredelitvegravitacija(po Oxfordu: "izreden ali zaskrbljujoč pomen; resnost ") ozgravitas("dostojanstvo, resnost ali slovesnost") dobijo dodaten pomen. Ko se nekdo sklicuje na "resnost situacije", bo fizik vseeno potreboval pojasnilo: Ali to pomeni v smislu velikega G ali majhnega g?