Гравітація (фізика): що це таке і чому це важливо?

Студент-фізик може зіткнутися з гравітацією у фізиці двома різними способами: як прискорення, обумовлене сила тяжіння на Землі або інших небесних тілах, або як сила притягання між будь-якими двома об'єктами в Всесвіт. Дійсно, гравітація є однією з найбільш фундаментальних сил у природі.

Сер Ісаак Ньютон розробив закони для опису обох. Другий закон Ньютона (F_чистий = ма) застосовується до будь-якої чистої сили, що діє на об'єкт, включаючи силу тяжіння, що відчувається в місцевості будь-якого великого тіла, наприклад планети. Закон Ньютона про всесвітнє тяжіння, закон зворотного квадрата, пояснює гравітаційне тяжіння або тяжіння між будь-якими двома об’єктами.

Гравітаційна сила, яку відчуває об'єкт у межах гравітаційного поля, завжди спрямована до центру маси, що створює поле, наприклад до центру Землі. За відсутності будь-яких інших сил це можна описати за допомогою ньютонівських відносинF_чистий = ма, деF_чистий- сила тяжіння в Ньютонах (N),м- маса у кілограмах (кг) таа- це прискорення за рахунок сили тяжіння в м / с².

Будь-які предмети всередині гравітаційного поля, такі як усі породи на Марсі, відчувають те самеприскорення до центру поля​ ​діючи на їх маси.Таким чином, єдиним фактором, що змінює силу тяжіння, що відчувається різними об’єктами на одній планеті, є їх маса: Чим більше маса, тим більша сила тяжіння і навпаки.

Сила тяжінняєйого вага у фізиці, хоча розмовно вага часто використовується по-різному.

Другий закон Ньютона,F_чистий = ма, показує, що aчиста силавикликає прискорення маси. Якщо чиста сила від сили тяжіння, це прискорення називається прискоренням за рахунок сили тяжіння; для об'єктів поблизу певних великих тіл, таких як планети, це прискорення є приблизно постійним, тобто всі об'єкти падають з однаковим прискоренням.

Біля поверхні Землі цій постійній дається своя особлива змінна:g. "Маленький g", якgчасто називають, завжди має постійне значення 9,8 м / с². (Фраза "маленький g" відрізняє цю константу від іншої важливої ​​гравітаційної константи,G, або "великий G", що застосовується до Універсального закону тяжіння.) Будь-який предмет, що впав поблизу поверхні Землі, падають до центру Землі з постійно зростаючою швидкістю, щосекунди йдуть на 9,8 м / с швидше, ніж секунди раніше.

На Землі сила тяжіння на об’єкт масимце:

Астронавти досягають далекої планети і виявляють, що для підняття об’єктів там потрібно у вісім разів більше сили, ніж на Землі. Яке прискорення завдяки цій силі тяжіння на цій планеті?

На цій планеті сила тяжіння у вісім разів більша. Оскільки маси об'єктів є фундаментальною властивістю цих об'єктів, вони не можуть змінюватися, це означає значенняgтакож повинен бути у вісім разів більшим:

Значенняgна Землі становить 9,8 м / с², отже 8 × 9,8 м / с² = 78,4 м / с².

Другий із законів Ньютона, що застосовуються до розуміння гравітації у фізиці, був результатом загадки Ньютона через висновки іншого фізика. Він намагався пояснити, чому планети Сонячної системи мають еліптичні, а не кругові орбіти, як це спостерігав і математично описав Йоганнес Кеплер у своєму наборі однойменних законів.

Ньютон визначив, що гравітаційні притягання між планетами, наближаючись і віддаляючись одна від одної, відіграють рух планет. Фактично ці планети перебували у вільному падінні. Він визначив цю привабливість у своємуУніверсальний закон тяжіння​:

ДеF_грав знову сила тяжіння в Ньютонах (N),м₁ім₂- маси першого та другого об’єктів відповідно у кілограмах (кг) (наприклад, маса Землі та маса об’єкта поблизу Землі), іd²- це квадрат відстані між ними в метрах (м).

ЗміннаG, що називається "великим G", - це універсальна гравітаційна стала. Цемає однакове значення скрізь у Всесвіті. Ньютон не виявив значення G (Генрі Кавендіш знайшов його експериментально після смерті Ньютона), але він знайшов пропорційність сили масі та відстані без неї.

Рівняння показує два важливі співвідношення:

1. Чим масивніший будь-який об'єкт, тим більше привабливість. Якби місяць був раптововдвічі масивнішеяк зараз, сила тяжіння між Землею та Місяцем зробила бподвійний​.
2. Чим ближче предмети, тим більше привабливість. Оскільки маси пов’язані між собою відстанню між нимив квадраті, сила тяжіннявчетверокожен раз, коли предмети знаходятьсявдвічі ближче. Якби місяць був раптовополовина відстаніна Землю, як зараз, сила притягання між Землею і Місяцем буде такоюв чотири рази більше.​

Теорія Ньютона також відома якзакон оберненого квадратачерез другий пункт вище. Це пояснює, чому гравітаційне тяжіння між двома об’єктами швидко падає, коли вони розділяються, набагато швидше, ніж при зміні маси будь-якого або обох.

Яка сила притягання між кометою 8000 кг, що знаходиться на відстані 70 000 м від комети 200 кг?

Ньютон провів дивовижну роботу, передбачаючи рух предметів і визначаючи кількісні сили сили тяжіння в 1600-х роках. Але приблизно через 300 років інший чудовий розум - Альберт Ейнштейн - кинув виклик цьому мисленню новим способом і більш точним способом розуміння гравітації.

На думку Ейнштейна, гравітація є спотвореннямпростір-час, тканина самого Всесвіту. Масова деформація простору, як куля для боулінгу, створює відступ на простирадлі, а більш масивні предмети, такі як зірки або чорні діри, деформуються простір з ефектами, які легко спостерігаються у телескоп - вигин світла або зміна руху предметів, близьких до цих мас.

Теорія загальної теорії відносності Ейнштейна добре зарекомендувала себе, пояснивши, чому Меркурій, найближча крихітна планета до сонця в нашій Сонячній системі, має орбіту з помітною відмінністю від того, що передбачається законами Ньютона.

Хоча загальна теорія відносності є більш точною для пояснення сили тяжіння, ніж закони Ньютона, різниця в розрахунках з використанням обох є помітний здебільшого лише на "релятивістських" масштабах - дивлячись на надзвичайно масивні об'єкти в космосі або на ближнє світло швидкості. Тому закони Ньютона залишаються корисними та актуальними сьогодні для опису багатьох реальних ситуацій, з якими, мабуть, стикається пересічна людина.

"Універсальна" частина Універсального закону тяжіння Ньютона не є гіперболічною. Цей закон поширюється на все у Всесвіті з масою! Будь-які дві частинки притягують одна одну, як і будь-які дві галактики. Звичайно, на досить великих відстанях притягання стає настільки малим, що фактично дорівнює нулю.

Враховуючи, наскільки важлива гравітація для описуяк взаємодіє вся матерія, розмовні англійські визначеннясила тяжіння(за Оксфордом: "надзвичайне або тривожне значення; серйозність ") абоgravitas("гідність, серйозність чи урочистість") набувають додаткового значення. Тим не менш, коли хтось посилається на "серйозність ситуації", фізику все одно може знадобитися роз'яснення: чи вони мають на увазі терміни великого G або малого g?