Гравитација (физика): шта је то и зашто је важно?

Студент физике може се сусрести са гравитацијом у физици на два различита начина: као убрзање услед гравитација на Земљи или другим небеским телима, или као сила привлачења између било која два објекта у универзум. Заиста је гравитација једна од најважнијих сила у природи.

Сер Исак Њутн развио је законе који описују обоје. Њутнов други закон (Ф_нето = ма) односи се на било коју нето силу која делује на објекат, укључујући силу гравитације која се осећа у локалитету било ког великог тела, као што је планета. Њутнов закон универзалне гравитације, инверзни квадратни закон, објашњава гравитационо привлачење или привлачење између било која два објекта.

Гравитациона сила коју искуси објекат унутар гравитационог поља увек је усмерена ка центру масе која генерише поље, попут центра Земље. У одсуству било каквих других сила, то се може описати коришћењем Њутновог односаФ_нето = ма, гдеФ_нетоје сила гравитације у Њутнима (Н),мје маса у килограмима (кг) иаје убрзање услед гравитације у м / с².

Било који објекти унутар гравитационог поља, попут свих стена на Марсу, доживљавају истоубрзање ка центру поља​ ​делујући на њихове масе.Дакле, једини фактор који мења силу гравитације коју осећају различити објекти на истој планети је њихова маса: Што је већа маса, сила гравитације је већа и обрнуто.

Сила гравитацијејењегова тежина у физици, мада се колоквијална тежина често користи другачије.

Њутнов други закон,Ф_нето = ма, показује да амрежна силаизазива убрзање масе. Ако је нето сила од гравитације, ово убрзање се назива убрзање услед гравитације; за објекте у близини одређених великих тела попут планета ово убрзање је приближно константно, што значи да сви објекти падају са истим убрзањем.

У близини Земљине површине, ова константа добија своју посебну променљиву:г. „Мали г“, каогчесто се назива, увек има константну вредност од 9,8 м / с². (Фраза „мали г“ разликује ову константу од друге важне гравитационе константе,Г., или „велики Г“, који се односи на Универзални закон гравитације.) Било који предмет који се спусти близу површине Земље падају ка средишту Земље све већом брзином, сваке секунде брже од 9,8 м / с него друге.

На Земљи сила гравитације на предмету масемје:

Астронаути стигну до далеке планете и утврде да је за подизање предмета потребно осам пута више силе него на Земљи. Које је убрзање услед гравитације на овој планети?

На овој планети сила гравитације је осам пута већа. Будући да су масе предмета основно својство тих предмета, оне се не могу мењати, то значи вредностгмора бити и осам пута већа:

Вредностгна Земљи је 9,8 м / с², дакле 8 × 9,8 м / с² = 78,4 м / с².

Други Њутнов закон који се примењује на разумевање гравитације у физици проистекао је из Њутнове загонетке кроз налазе другог физичара. Покушавао је да објасни зашто планете Сунчевог система имају елиптичне, а не кружне орбите, како је то уочио и математички описао Јоханнес Кеплер у свом скупу истоимених закона.

Њутн је утврдио да гравитационе привлачности између планета како се приближавају и удаљавају једна од друге играју улогу у кретању планета. Ове планете су у ствари биле у слободном паду. Квантификовао је ову привлачност у својојУниверзални закон гравитације​:

ГдеФ_грав опет је сила гравитације у Њутнима (Н),м₁им₂су масе првог, односно другог предмета у килограмима (кг) (на пример, маса Земље и маса објекта у близини Земље), ид²је квадрат растојања између њих у метрима (м).

ПроменљиваГ., која се назива "велики Г", је универзална гравитациона константа. Тоима свуда у универзуму исту вредност. Њутн није открио вредност Г (Хенри Цавендисх га је експериментално пронашао после Њутнове смрти), али је пронашао пропорционалност силе маси и растојању без ње.

Једначина показује два важна односа:

1. Што је објекат масивнији, привлачност је већа. Ако је месец изненададвоструко масивнијикаква је сада, сила привлачења између Земље и Месеца бидвоструко​.
2. Што су предмети ближи, атракција је већа. Јер су масе повезане растојањем између њихна квадрат, сила привлачењачетворкесваки пут кад су предметидвоструко ближе. Ако је месец изненадапола удаљеностина Земљу каква је сада, сила привлачења између Земље и Месеца била бичетири пута већа.​

Њутнова теорија је такође позната и каоинверзни квадратни законзбог друге тачке горе. Објашњава зашто гравитационо привлачење између два објекта брзо опада како се раздвајају, много брже него ако мења масу једног или оба.

Колика је сила привлачења између комете од 8000 кг која је удаљена 70.000 м од комете од 200 кг?

Њутн је учинио невероватан посао предвиђајући кретање предмета и квантификујући силу гравитације у 1600-им. Али отприлике 300 година касније, други велики ум - Алберт Ајнштајн - изазвао је ово размишљање новим начином и тачнијим разумевањем гравитације.

Према Ајнштајну, гравитација је изобличењеВреме простор, ткиво самог универзума. Маса искривљује простор, попут лопте за куглање, ствара удубљење на постељини, а масивнији предмети попут звезда или црних рупа искривљују се простор са ефектима лако уочљивим у телескопу - савијање светлости или промена кретања објеката близу тих маса.

Ајнштајнова теорија опште релативности чувено се доказала објашњавајући зашто је Меркур, најситнија планета најближа до сунца у нашем Сунчевом систему, има орбиту са мерљивом разликом од онога што предвиђају Њутнови закони.

Иако је општа релативност тачнија у објашњавању гравитације од Њутнових закона, разлика у прорачунима користећи било коју од њих је уочљив углавном на „релативистичким“ скалама - гледање изузетно масивних објеката у космосу или блиске светлости брзинама. Стога су Њутнови закони и данас корисни и релевантни у описивању многих ситуација из стварног света са којима ће се просечни човек вероватно сусрести.

„Универзални“ део Њутновог универзалног закона гравитације није хиперболичан. Овај закон се односи на све у свемиру са масом! Било које две честице се међусобно привлаче, као и било које две галаксије. Наравно, на довољно великим растојањима привлачност постаје толико мала да ефективно буде нула.

С обзиром на то колико је гравитација важна за описивањекако сва материја делује, колоквијалне енглеске дефиницијегравитација(према Окфорду: „екстремна или алармантна важност; озбиљност “) илигравитас(„достојанство, озбиљност или свечаност“) добијају додатни значај. То је рекло, када се неко позива на „тежину ситуације“, физичару ће можда ипак требати појашњење: Да ли они мисле у смислу великог Г или малог Г?