Yerçekimi (Fizik): Nedir ve Neden Önemlidir?

Bir fizik öğrencisi fizikte yerçekimi ile iki farklı şekilde karşılaşabilir: Dünya veya diğer gök cisimleri üzerindeki yerçekimi veya dünyadaki herhangi iki nesne arasındaki çekim kuvveti olarak Evren. Gerçekten de yerçekimi doğadaki en temel kuvvetlerden biridir.

Sir Isaac Newton, her ikisini de tanımlamak için yasalar geliştirdi. Newton'un İkinci Yasası (F_ağ = anne), gezegen gibi herhangi bir büyük cismin bulunduğu yerde deneyimlenen yerçekimi kuvveti de dahil olmak üzere, bir nesneye etki eden herhangi bir net kuvvet için geçerlidir. Bir ters kare yasası olan Newton'un Evrensel Yerçekimi Yasası, herhangi iki nesne arasındaki yerçekimi veya çekimi açıklar.

Bir yerçekimi alanı içindeki bir nesnenin deneyimlediği yerçekimi kuvveti, her zaman, Dünya'nın merkezi gibi, alanı oluşturan kütlenin merkezine doğru yönlendirilir. Başka kuvvetlerin yokluğunda, Newton ilişkisi kullanılarak tanımlanabilir.F_ağ = anne, neredeF_ağNewton (N) cinsinden yerçekimi kuvvetidir,mkilogram (kg) cinsinden kütle vebirm/s cinsinden yerçekimine bağlı ivmedir².

Mars'taki tüm kayalar gibi yerçekimi alanındaki herhangi bir nesne aynı şeyi yaşar.alanın merkezine doğru ivme​ ​kitleleri üzerinde hareket ediyor.Bu nedenle, aynı gezegendeki farklı cisimler tarafından hissedilen yerçekimi kuvvetini değiştiren tek faktör onların kütlesidir: Kütle ne kadar fazlaysa, yerçekimi kuvveti de o kadar büyüktür ve bunun tersi de geçerlidir.

yerçekimi kuvvetidır-dirfizikteki ağırlığı, ancak halk dilinde ağırlık genellikle farklı şekilde kullanılır.

Newton'un İkinci Yasası,F_ağ = anne, gösterir ki birnet kuvvetbir kütlenin hızlanmasına neden olur. Net kuvvet yerçekiminden geliyorsa, bu ivmeye yerçekimi ivmesi denir; gezegenler gibi belirli büyük cisimlerin yakınındaki nesneler için bu ivme yaklaşık olarak sabittir, yani tüm nesneler aynı ivmeyle düşer.

Dünya yüzeyinin yakınında, bu sabite kendi özel değişkeni verilir:g. "Küçük g"ggenellikle denir, her zaman sabit bir 9,8 m/s değerine sahiptir². ("Küçük g" ifadesi, bu sabiti başka bir önemli yerçekimi sabitinden ayırır,Gveya Evrensel Yerçekimi Yasası için geçerli olan "büyük G".) Dünya yüzeyinin yakınına düşen herhangi bir nesne Her saniye bir öncekinden 9,8 m/s daha hızlı giderek artan bir hızla Dünya'nın merkezine doğru düşer.

Dünya'da, kütlesel bir nesne üzerindeki yerçekimi kuvvetimdır-dir:

Astronotlar uzak bir gezegene ulaşırlar ve oradaki nesneleri kaldırmak için Dünya'dakinden sekiz kat daha fazla kuvvet gerektiğini görürler. Bu gezegendeki yerçekiminden kaynaklanan ivme nedir?

Bu gezegende yerçekimi kuvveti sekiz kat daha büyüktür. Nesnelerin kütleleri bu nesnelerin temel bir özelliği olduğu için değişemezler, yanigsekiz kat daha büyük olmalıdır:

DeğerigDünya'da 9.8 m/s², yani 8 × 9.8 m/s² = 78,4 m/s².

Newton'un fizikteki yerçekimini anlamak için geçerli olan yasalarından ikincisi, Newton'un başka bir fizikçinin bulgularını karıştırmasından kaynaklandı. Johannes Kepler'in kendi adını taşıyan yasalarında gözlemlediği ve matematiksel olarak tanımladığı gibi, güneş sisteminin gezegenlerinin neden dairesel değil de eliptik yörüngelere sahip olduğunu açıklamaya çalışıyordu.

Newton, gezegenler birbirine yaklaştıkça ve uzaklaştıkça aralarındaki çekim kuvvetlerinin gezegenlerin hareketinde rol oynadığını belirledi. Bu gezegenler aslında serbest düşüşteydi. Bu çekiciliği onunEvrensel Yerçekimi Yasası​:

NeredeF_yerçekimi yine Newton (N) cinsinden yerçekimi kuvvetidir,m₁vem₂sırasıyla birinci ve ikinci nesnelerin kilogram (kg) cinsinden kütleleridir (örneğin, Dünya'nın kütlesi ve Dünya'nın yakınındaki nesnenin kütlesi) ved²aralarındaki mesafenin metre (m) cinsinden karesidir.

DeğişkenG"büyük G" olarak adlandırılan, evrensel yerçekimi sabitidir. Oevrenin her yerinde aynı değere sahiptir. Newton, G'nin değerini keşfetmedi (Henry Cavendish, Newton'un ölümünden sonra deneysel olarak buldu), ancak kuvvetin kütle ve mesafeyle orantılılığını onsuz buldu.

Denklem iki önemli ilişkiyi gösterir:

1. Her iki nesne de ne kadar büyükse, çekim o kadar büyük olur. Ay aniden olsaydıiki kat daha büyükşimdi olduğu gibi, Dünya ile ay arasındaki çekim kuvvetiçift​.
2. Nesneler ne kadar yakınsa, çekim o kadar büyük olur. Çünkü kütleler aralarındaki uzaklıkla ilişkilidir.kare, çekim gücüdört katnesneler her seferindeiki kat daha yakın. Ay aniden olsaydımesafenin yarısıDünya'ya şimdi olduğu gibi, Dünya ile ay arasındaki çekim kuvvetidört kat daha büyük.​

Newton'un teorisi olarak da bilinirTers kare kanunuçünkü yukarıdaki ikinci nokta. Bu, iki nesne arasındaki yerçekiminin neden birbirlerinden ayrıldıklarında hızla düştüğünü açıklıyor; bu, ikisinden birinin veya her ikisinin kütlesini değiştirmekten çok daha hızlı.

200 kg'lık bir kuyruklu yıldızdan 70.000 m uzaklıktaki 8.000 kg'lık bir kuyruklu yıldız arasındaki çekim kuvveti nedir?

Newton, 1600'lerde nesnelerin hareketini tahmin etmek ve yerçekimi kuvvetini ölçmek için inanılmaz bir çalışma yaptı. Ancak yaklaşık 300 yıl sonra, başka bir büyük akıl - Albert Einstein - bu düşünceye yerçekimini anlamanın yeni bir yolu ve daha doğru bir yolu ile meydan okudu.

Einstein'a göre yerçekimi bir çarpıtmadır.boş zaman, evrenin kendisinin dokusu. Kütle, bir bowling topunun bir çarşaf üzerinde bir girinti oluşturması gibi uzayı büker ve yıldızlar veya kara delikler gibi daha büyük nesneler çarpıtılır bir teleskopta kolayca gözlemlenen etkileri olan uzay - ışığın bükülmesi veya bu kütlelere yakın nesnelerin hareketindeki bir değişiklik.

Einstein'ın genel görelilik teorisi, en yakın gezegen olan Merkür'ün neden en yakın olduğunu açıklayarak kendini ünlü bir şekilde kanıtladı. Güneş sistemimizdeki güneşe göre, Newton Kanunları tarafından tahmin edilenden ölçülebilir bir farklılığa sahip bir yörüngeye sahiptir.

Genel görelilik, yerçekimini açıklamakta Newton Kanunlarından daha doğru olsa da, her ikisini kullanarak yapılan hesaplamalardaki fark şudur: çoğunlukla sadece "göreceli" ölçeklerde farkedilir - kozmostaki aşırı büyük nesnelere veya yakın bir ışığa bakmak hızlar. Bu nedenle Newton Kanunları, ortalama bir insanın karşılaşması muhtemel birçok gerçek dünya durumunu tanımlamada günümüzde faydalı ve alakalı olmaya devam etmektedir.

Newton'un Evrensel Yerçekimi Yasasının "evrensel" kısmı hiperbolik değildir. Bu yasa evrende kütlesi olan her şey için geçerlidir! Herhangi iki parçacık, herhangi iki galaksi gibi birbirini çeker. Tabii ki, yeterince büyük mesafelerde çekim o kadar küçülür ki, fiilen sıfır olur.

Yerçekiminin tarif etmenin ne kadar önemli olduğu göz önüne alındığındatüm maddelerin nasıl etkileştiği, konuşma diline özgü İngilizce tanımlarıYerçekimi(Oxford'a göre: "aşırı veya endişe verici önem; ciddiyet") veyaağırlık("haysiyet, ciddiyet veya ciddi tavırlar") ek bir önem kazanır. Bununla birlikte, birisi "bir durumun ağırlığı"ndan bahsettiğinde, bir fizikçinin hala açıklamaya ihtiyacı olabilir: Büyük G veya küçük g açısından mı demek istiyorlar?