Gravitation (Physics): Vad är det och varför är det viktigt?

En fysikstudent kan stöta på gravitationen i fysik på två olika sätt: som accelerationen på grund av gravitationen på jorden eller andra himmelska kroppar, eller som attraktionskraften mellan två föremål i universum. Faktum är att allvar är en av de mest grundläggande krafterna i naturen.

Sir Isaac Newton utvecklade lagar för att beskriva båda. Newtons andra lag (F_netto = ma) gäller all nettokraft som verkar på ett föremål, inklusive tyngdkraften som upplevs på platsen för alla stora kroppar, såsom en planet. Newtons lag om universell tyngdkraft, en invers kvadratisk lag, förklarar gravitationens dragning eller attraktion mellan två objekt.

Gravitationskraften som upplevs av ett objekt inom ett gravitationsfält riktas alltid mot mitten av massan som genererar fältet, till exempel jordens centrum. I avsaknad av andra krafter kan det beskrivas med hjälp av Newton-förhållandetF_netto = ma, varF_nettoär tyngdkraften i Newton (N),mär massan i kg (kg) ochaär acceleration på grund av tyngdkraften i m / s².

Alla föremål i ett gravitationsfält, som alla stenar på Mars, upplever detsammaacceleration mot fältets mitt​ ​agerar på deras massor.Således är den enda faktorn som ändrar tyngdkraften som känns av olika objekt på samma planet deras massa: Ju mer massa, desto större är tyngdkraften och vice versa.

Tyngdkraftenärdess vikt i fysik, även om den vanliga vikten ofta används annorlunda.

Newtons andra lag,F_netto = ma, visar att ennettokraftorsakar att en massa accelererar. Om nettokraften är från tyngdkraften kallas denna acceleration på grund av tyngdkraften; för objekt nära speciella stora kroppar som planeter är denna acceleration ungefär konstant, vilket innebär att alla objekt faller med samma acceleration.

Nära jordens yta får denna konstant sin egen speciella variabel:g. "Lilla g", somgkallas ofta, har alltid ett konstant värde på 9,8 m / s². (Uttrycket "liten g" skiljer denna konstant från en annan viktig gravitationskonstant,G, eller "stor G", som gäller den allmänna gravitationslagen.) Alla föremål som tappas nära jordens yta kommer falla mot jordens centrum i en ständigt ökande hastighet, varje sekund går 9,8 m / s snabbare än den andra innan.

På jorden tyngdkraften på ett massföremålmär:

Astronauter når en avlägsen planet och tycker att det tar åtta gånger så mycket kraft att lyfta föremål där än på jorden. Vad är accelerationen på grund av gravitationen på denna planet?

På denna planet är tyngdkraften åtta gånger större. Eftersom massorna av objekt är en grundläggande egenskap hos dessa objekt kan de inte förändras, det betyder värdet pågmåste också vara åtta gånger större:

Värdet avgpå jorden är 9,8 m / s², så 8 × 9,8 m / s² = 78,4 m / s².

Den andra av Newtons lagar som gäller för att förstå tyngdkraften i fysik berodde på att Newton var förbryllad genom en annan fysikers resultat. Han försökte förklara varför solsystemets planeter har elliptiska banor snarare än cirkulära banor, som observerats och matematiskt beskrivits av Johannes Kepler i hans uppsättning av eponyma lagar.

Newton bestämde att gravitationsattraktionerna mellan planeterna när de kom närmare och längre från varandra spelade in i planeternas rörelse. Dessa planeter var faktiskt i fritt fall. Han kvantifierade denna attraktion i sinUniversal Gravitation Law​:

VarF_grav åter är tyngdkraften i Newton (N),m₁ochm₂är massorna av det första respektive det andra föremålet i kg (kg) (till exempel jordens massa och föremålets massa nära jorden), ochd²är kvadraten på avståndet mellan dem i meter (m).

VariabelnG, kallad "stor G", är den universella gravitationskonstanten. Dethar samma värde överallt i universum. Newton upptäckte inte värdet av G (Henry Cavendish fann det experimentellt efter Newtons död), men han fann proportionaliteten i kraft till massa och distans utan den.

Ekvationen visar två viktiga förhållanden:

1. Ju mer massivt objekt är, desto större är attraktionen. Om månen plötsligt vardubbelt så massivsom det är nu skulle attraktionskraften mellan jorden och månen göra detdubbel​.
2. Ju närmare objekten är, desto större är attraktionen. Eftersom massorna är relaterade efter avståndet mellan demkvadrat, attraktionskraftenfyrdubblarvarje gång objekten ärdubbelt så nära. Om månen plötsligt varhalva avståndettill jorden som den är nu skulle attraktionskraften mellan jorden och månen varafyra gånger större.​

Newtons teori är också känd som eninvers kvadratisk lagpå grund av den andra punkten ovan. Det förklarar varför tyngdkraftsattraktionen mellan två objekt sjunker snabbt när de separerar, mycket snabbare än om de ändrar massan av endera eller båda.

Vad är attraktionskraften mellan en komet på 8000 kg som ligger 70 000 m från en 200 kg komet?

Newton gjorde fantastiskt arbete med att förutsäga objektens rörelse och kvantifiera tyngdkraften på 1600-talet. Men ungefär 300 år senare utmanade ett annat stort sinne - Albert Einstein - detta tänkande med ett nytt sätt och mer exakt sätt att förstå gravitation.

Enligt Einstein är allvar en förvrängning avrymdtid, själva universums tyg. Massutveckling av utrymme, som en bowlingkula skapar ett indrag på ett lakan, och mer massiva föremål som stjärnor eller svarta hål varper utrymme med effekter som lätt observeras i ett teleskop - böjning av ljus eller en förändring i rörelse av föremål nära massorna.

Einsteins allmänna relativitetsteori bevisade sig själv genom att förklara varför Merkurius, den lilla planeten närmast till solen i vårt solsystem, har en bana med en mätbar skillnad från vad som förutses av Newtons lagar.

Medan allmän relativitet är mer exakt när det gäller att förklara tyngdkraften än Newtons lagar, är skillnaden i beräkningar med endera märkbar för det mesta bara på "relativistiska" skalor - tittar på extremt massiva föremål i kosmos, eller ett nära ljus hastigheter. Därför är Newtons lagar fortfarande användbara och relevanta idag för att beskriva många verkliga situationer som den genomsnittliga människan sannolikt kommer att stöta på.

Den "universella" delen av Newtons universella lag för gravitation är inte hyperbolisk. Denna lag gäller för allt i universum med en massa! Alla två partiklar lockar varandra, liksom två galaxer. Naturligtvis på tillräckligt stora avstånd blir attraktionen så liten att den faktiskt är noll.

Med tanke på hur viktigt gravitationen är att beskrivahur all materia samverkar, de allmänna engelska definitionerna avallvar(enligt Oxford: "extrem eller alarmerande betydelse; allvar ") ellergravitas("värdighet, allvar eller högtidlighet") får ytterligare betydelse. Som sagt, när någon hänvisar till "en allvar i en situation" kan en fysiker fortfarande behöva förtydligas: Menar de i termer av stort G eller lite g?