Zawartość
- Siła grawitacji
- Przyspieszenie spowodowane grawitacją
- Przykład z grawitacją
- Newton Universal Law of Gravitation
- Przykład z uniwersalnym prawem grawitacji Newtona
- Teoria ogólnej teorii względności Alberta Einsteinsa
- Grawitacja jest ważna
Student fizyki może napotykać grawitację w fizyce na dwa różne sposoby: jako przyspieszenie ziemskie lub inne ciała niebieskie lub jako siła przyciągania między dowolnymi dwoma obiektami we wszechświecie. Rzeczywiście grawitacja jest jedną z najbardziej fundamentalnych sił w przyrodzie.
Sir Isaac Newton opracował prawa opisujące oba. Drugie prawo Newtona (fanetto = ma) stosuje się do każdej siły netto działającej na przedmiot, w tym siły grawitacji występującej w miejscu położenia dowolnego dużego ciała, takiego jak planeta. Prawo Newtona powszechnej grawitacji, odwrotne prawo kwadratowe, wyjaśnia przyciąganie grawitacyjne lub przyciąganie między dowolnymi dwoma obiektami.
Siła grawitacji
Siła grawitacyjna odczuwana przez obiekt znajdujący się w polu grawitacyjnym jest zawsze skierowana w stronę środka masy, która wytwarza pole, takiego jak środek Ziemi. W przypadku braku innych sił można to opisać za pomocą relacji Newtona fanetto = ma, gdzie fanetto to siła grawitacji w niutonach (N), m to masa w kilogramach (kg) i za oznacza przyspieszenie ziemskie wm / s2.
Wszystkie obiekty w polu grawitacyjnym, takie jak wszystkie skały na Marsie, doświadczają tego samego przyspieszenie w kierunku środka pola działając na ich masy. Zatem jedynym czynnikiem zmieniającym siłę grawitacji odczuwaną przez różne obiekty na tej samej planecie jest ich masa: im większa masa, tym większa siła grawitacji i odwrotnie.
Siła grawitacji jest jego waga w fizyce, choć potocznie waga jest często stosowana inaczej.
Przyspieszenie spowodowane grawitacją
Drugie prawo Newtona, fanetto = ma, pokazuje, że a siła wypadkowa powoduje przyspieszenie masy. Jeżeli siła netto pochodzi z grawitacji, przyspieszenie to nazywa się przyspieszeniem grawitacyjnym; dla obiektów w pobliżu konkretnych dużych ciał, takich jak planety, przyspieszenie to jest w przybliżeniu stałe, co oznacza, że wszystkie obiekty spadają z tym samym przyspieszeniem.
W pobliżu powierzchni Ziemi ta stała ma swoją własną specjalną zmienną: sol. „Little g” as sol jest często nazywany, zawsze ma stałą wartość 9,8 m / s2. (Wyrażenie „mała g” odróżnia tę stałą od innej ważnej stałej grawitacyjnej, sollub „duże G”, które ma zastosowanie do Uniwersalnego Prawa Grawitacji.) Każdy obiekt upuszczony w pobliżu powierzchni Ziemi spadnie w kierunku środka Ziemi z coraz większą prędkością, z każdą sekundą z prędkością 9,8 m / s drugi przedtem.
Na Ziemi siła grawitacji na obiekcie masy m jest:
fagraw = mg
Przykład z grawitacją
Astronauci docierają do odległej planety i stwierdzają, że podnoszenie tam obiektów wymaga ośmiu razy więcej siły niż na Ziemi. Jakie jest przyspieszenie ziemskie na tej planecie?
Na tej planecie siła grawitacji jest osiem razy większa. Ponieważ masy obiektów są podstawową własnością tych obiektów, nie mogą się zmieniać, co oznacza wartość sol musi być także osiem razy większy:
8Fgraw = m (8 g)
Wartość sol na Ziemi wynosi 9,8 m / s2, więc 8 × 9,8 m / s2 = 78,4 m / s2.
Newton Universal Law of Gravitation
Drugie z praw Newtona, które mają zastosowanie do rozumienia grawitacji w fizyce, wynikało z zastanowienia się Newtona przez inne odkrycia fizyków. Próbował wyjaśnić, dlaczego planety Układu Słonecznego mają raczej orbitę eliptyczną niż orbitę kołową, jak zaobserwował i matematycznie opisał Johannes Kepler w swoim zestawie tytułowych praw.
Newton ustalił, że przyciągania grawitacyjne między planetami, gdy zbliżały się i oddalały od siebie, grały w ruch planet. Te planety faktycznie spadały swobodnie. Określił tę atrakcję w swoim Uniwersalne prawo grawitacji:
F_ {grav} = G frac {m_1m_2} {r ^ 2}Gdzie fagraw _ znowu jest siłą grawitacji w niutonach (N), _m1 i m2 są masami odpowiednio pierwszego i drugiego obiektu, w kilogramach (kg) (na przykład masa Ziemi i masa obiektu w pobliżu Ziemi), oraz re2 jest kwadratem odległości między nimi w metrach (m).
Zmienna sol, zwany „dużym G”, jest uniwersalną stałą grawitacyjną. To ma tę samą wartość wszędzie we wszechświecie. Newton nie odkrył wartości G (Henry Cavendish znalazł ją eksperymentalnie po śmierci Newtona), ale bez niej znalazł proporcjonalność siły do masy i odległości.
Równanie pokazuje dwie ważne zależności:
Teoria Newtona jest również znana jako prawa odwrotnych kwadratów z powodu drugiego punktu powyżej. Wyjaśnia, dlaczego przyciąganie grawitacyjne między dwoma obiektami szybko spada, gdy się rozdzielają, znacznie szybciej niż przy zmianie masy jednego lub obu z nich.
Przykład z uniwersalnym prawem grawitacji Newtona
Jaka jest siła przyciągania między kometą o wadze 8 000 kg, która jest oddalona o 70 000 m od komety o wadze 200 kg?
begin {wyrównany} F_ {grav} & = 6,674 × 10 ^ {- 11} frac {m ^ 3} {kgs ^ 2} ( dfrac {8 000 kg × 200 kg} {70 000 ^ 2}) & = 2,18 × 10 ^ {- 14} end {wyrównany}Teoria ogólnej teorii względności Alberta Einsteinsa
Newton wykonał niesamowitą pracę przewidując ruch obiektów i kwantyfikując siłę grawitacji w 1600 roku. Ale około 300 lat później inny wielki umysł - Albert Einstein - podważył to myślenie w nowy i dokładniejszy sposób zrozumienia grawitacji.
Według Einsteina grawitacja jest zniekształceniem czas, przestrzeń, tkanina samego wszechświata. Masowa przestrzeń wypacza, jak kula do kręgli, tworzy wcięcie na prześcieradle, a bardziej masywne obiekty, takie jak gwiazdy lub czarne dziury, wypaczają przestrzeń z efektami łatwo obserwowanymi przez teleskop - zgięcie światła lub zmiana ruchu obiektów w pobliżu tych mas .
Teoria ogólnej teorii względności Einsteina udowodniła, że wyjaśniła, dlaczego Merkury, mała planeta najbliższa Słońca w naszym Układzie Słonecznym, ma orbitę z mierzalną różnicą w stosunku do tego, co przewiduje Newton Laws.
Podczas gdy ogólna teoria względności jest bardziej dokładna w wyjaśnianiu grawitacji niż prawa Newtona, różnica w obliczeniach za pomocą jednego z nich jest zauważalna w przeważającej części tylko w skalach „relatywistycznych” - patrząc na niezwykle masywne obiekty w kosmosie lub prędkości bliskiego światła. Dlatego prawa Newtona pozostają użyteczne i aktualne do dziś w opisywaniu wielu rzeczywistych sytuacji, w których przeciętny człowiek może się spotkać.
Grawitacja jest ważna
„Uniwersalna” część uniwersalnego prawa grawitacji Newtona nie jest hiperboliczna. To prawo dotyczy masy we wszechświecie z masą! Wszelkie dwie cząsteczki przyciągają się, podobnie jak dwie galaktyki. Oczywiście przy wystarczająco dużych odległościach przyciąganie staje się tak małe, że faktycznie wynosi zero.
Biorąc pod uwagę, jak ważna jest grawitacja w opisie jak cała materia oddziałuje, potoczne angielskie definicje powaga (według Oxfordu: „ekstremalne lub alarmujące znaczenie; powaga”) lub powaga („godność, powaga lub powaga”) nabierają dodatkowego znaczenia. To powiedziawszy, kiedy ktoś odnosi się do „grawitacji sytuacji”, fizyk może nadal potrzebować wyjaśnienia: czy mają na myśli duże G czy małe G?