Obsah
- Sila gravitácie
- Zrýchlenie kvôli gravitácii
- Príklad s gravitáciou
- Newtonov univerzálny zákon gravitácie
- Príklad s Newtonovým univerzálnym zákonom gravitácie
- Albert Einsteins Teória všeobecnej relativity
- Gravitácia je dôležitá
Študent fyziky sa môže stretnúť s gravitáciou vo fyzike dvoma rôznymi spôsobmi: ako zrýchlenie spôsobené gravitáciou na Zemi alebo iných nebeských telách alebo sila príťažlivosti medzi akýmikoľvek dvoma objektmi vo vesmíre. Gravitácia je skutočne jednou z najzákladnejších síl v prírode.
Sir Isaac Newton vypracoval zákony na opis oboch. Newtonov druhý zákon (Fnetto = ma) sa vzťahuje na akúkoľvek čistú silu pôsobiacu na objekt, vrátane gravitačnej sily vyskytujúcej sa v mieste akéhokoľvek veľkého tela, napríklad planéty. Newtonov zákon univerzálnej gravitácie, inverzný štvorcový zákon, vysvetľuje gravitačný ťah alebo príťažlivosť medzi akýmikoľvek dvoma objektmi.
Sila gravitácie
Gravitačná sila, ktorú prežíva objekt v gravitačnom poli, je vždy nasmerovaná na stred hmoty, ktorá vytvára pole, ako je napríklad Zem. Ak neexistujú žiadne iné sily, možno ich opísať pomocou newtonovského vzťahu Fnetto = ma, kde Fnetto je gravitačná sila v Newtonoch (N), m je hmotnosť v kilogramoch (kg) a je zrýchlenie v dôsledku gravitácie vm / s2.
Akékoľvek objekty vo vnútri gravitačného poľa, ako sú všetky kamene na Marse, zažívajú to isté zrýchlenie smerom do stredu poľa konajúc na ich masy. Jediným faktorom, ktorý mení gravitačnú silu, ktorú pociťujú rôzne objekty na tej istej planéte, je teda ich hmotnosť: Čím viac hmoty, tým väčšia sila gravitácie a naopak.
Gravitačná sila je jeho váha vo fyzike, hoci hovorová váha sa často používa odlišne.
Zrýchlenie kvôli gravitácii
Newtonov zákon, Fnetto = ma, ukazuje, že a čistá sila spôsobuje zrýchlenie hmoty. Ak je čistá sila z gravitácie, toto zrýchlenie sa nazýva zrýchlenie spôsobené gravitáciou; pre objekty v blízkosti konkrétnych veľkých telies, ako sú planéty, je toto zrýchlenie približne konštantné, čo znamená, že všetky objekty padajú s rovnakým zrýchlením.
V blízkosti zemského povrchu je táto konštanta daná vlastnou špeciálnou premennou: g, "Little g," as g sa často nazýva, má vždy konštantnú hodnotu 9,8 m / s2, (Výraz „malé g“ odlišuje túto konštantu od inej dôležitej gravitačnej konštanty, Galebo „veľké G“, ktoré sa vzťahujú na univerzálny zákon gravitácie.) Akýkoľvek predmet spadnutý blízko zemského povrchu bude klesať smerom do stredu Zeme neustále sa zvyšujúcou rýchlosťou, pričom každá sekunda bude rýchlejšie o 9,8 m / s ako druhý predtým.
Na Zemi gravitačná sila na hmotný objekt m je:
Fgravitačné = mg
Príklad s gravitáciou
Astronauti sa dostanú na vzdialenú planétu a zistia, že zdvíhanie predmetov trvá osemkrát viac sily ako na Zemi. Aké je zrýchlenie na tejto planéte spôsobené gravitáciou?
Na tejto planéte je gravitačná sila osemkrát väčšia. Pretože masy objektov sú základnou vlastnosťou týchto objektov, nemôžu sa meniť, čo znamená hodnotu g musí byť tiež osemkrát väčšia:
8Fgravitačné = m (8 g)
Hodnota g na Zemi je 9,8 m / s2, takže 8 × 9,8 m / s2 = 78,4 m / s2.
Newtonov univerzálny zákon gravitácie
Druhý z Newtonových zákonov, ktoré sa vzťahujú na pochopenie gravitácie vo fyzike, vyplynul z Newtonovho zmätenia prostredníctvom nálezov iných fyzikov. Snažil sa vysvetliť, prečo majú planéty solárnych systémov skôr eliptické obežné dráhy ako kruhové obežné dráhy, ako to pozoroval a matematicky opísal Johannes Kepler vo svojej sade rovnomenných zákonov.
Newton určil, že gravitačné príťažlivosti medzi planétami, keď sa priblížili a ďalej od seba, hrali do pohybu planét. Tieto planéty boli v skutočnosti vo voľnom páde. Kvantifikoval túto príťažlivosť vo svojom Univerzálny zákon gravitácie:
F_ {gravitačné} = G frac {m_1m_2} {r ^ 2}Kde Fgravitačné _again je gravitačná sila v Newtonoch (N), _m1 a m2 sú hmotnosti prvého a druhého predmetu v kilogramoch (kg) (napríklad hmotnosť Zeme a hmotnosť predmetu v blízkosti Zeme) a d2 je druhá mocnina vzdialenosti medzi nimi v metroch (m).
Premenná G, nazývaný „veľké G“, je univerzálna gravitačná konštanta. to má rovnakú hodnotu všade vo vesmíre, Newton neobjavil hodnotu G (Henry Cavendish ju zistil experimentálne po Newtonovej smrti), ale bez neho našiel proporcionalitu sily k hmotnosti a vzdialenosti.
Rovnica ukazuje dva dôležité vzťahy:
Newtonova teória je známa aj ako zákon inverzného štvorca kvôli druhému bodu vyššie. Vysvetľuje to, prečo gravitačná príťažlivosť medzi dvoma objektmi rýchlo klesá, keď sa oddeľujú, omnoho rýchlejšie, než keď mení hmotnosť jedného alebo oboch z nich.
Príklad s Newtonovým univerzálnym zákonom gravitácie
Aká je príťažlivá sila medzi 8 000 kg kométy, ktorá je vzdialená 70 000 m od 200 kg kométy?
begin {zarovnané} F_ {grav} & = 6,6674 × 10 ^ {- 11} frac {m ^ 3} {kgs ^ 2} ( dfrac {8 000 kg × 200 kg} {70 000 ^ 2}) & = 2,18 × 10 ^ {- 14} end {zarovnané}Albert Einsteins Teória všeobecnej relativity
Newton odviedol úžasnú prácu predpovedaním pohybu objektov a kvantifikáciou gravitačnej sily v 1600s. Približne o 300 rokov neskôr však ďalšia veľká myseľ - Albert Einstein - napadla toto myslenie novým spôsobom a presnejším spôsobom pochopenia gravitácie.
Podľa Einsteina je gravitácia skreslením vesmírny čas, štruktúra samotného vesmíru. Masový osnovný priestor, ako napríklad bowlingová guľa, vytvára na lôžku plachtu a masívnejšie predmety, ako sú hviezdy alebo čierne diery, deformujú priestor s efektmi, ktoré sa dajú ľahko pozorovať v ďalekohľade - ohýbanie svetla alebo zmena pohybu predmetov v blízkosti týchto mas ,
Einsteínova teória všeobecnej relativity sa skvele osvedčila tým, že vysvetlila, prečo ortuť, malá planéta najbližšie k Slnku v našej slnečnej sústave, má obežnú dráhu s merateľným rozdielom od toho, čo predpovedajú Newtonské zákony.
Zatiaľ čo všeobecná relativita je presnejšia pri vysvetľovaní gravitácie ako Newtonov zákon, rozdiel vo výpočtoch, ktoré používajú buď, je viditeľný z väčšej časti iba na „relativistických“ mierkach - pri pohľade na extrémne masívne objekty vo vesmíre alebo na rýchlosti blízkeho svetla. Preto Newtonské zákony zostávajú dnes užitočné a relevantné pri popisovaní mnohých skutočných situácií, s ktorými sa priemerný človek pravdepodobne stretne.
Gravitácia je dôležitá
„Univerzálna“ časť Newtonovho univerzálneho zákona gravitácie nie je hyperbolická. Tento zákon sa vzťahuje na všetko vo vesmíre s hmotou! Akékoľvek dve častice priťahujú jeden druhého, rovnako ako akékoľvek dve galaxie. Samozrejme, že na dostatočne veľké vzdialenosti je atrakcia taká malá, aby bola skutočne nula.
Vzhľadom na dôležitosť popisu ako všetky veci interagujú, hovorové anglické definície gravitácia (podľa Oxforda: "extrémny alebo alarmujúci význam; vážnosť") alebo Gravitas („dôstojnosť, serióznosť alebo vážnosť konania“) nadobúdajú dodatočný význam. To znamená, že keď niekto odkazuje na „závažnosť situácie“, fyzik bude možno potrebovať objasnenie: Majú na mysli veľké G alebo malé g?