Vsebina
- Sila teže
- Pospešek zaradi težnosti
- Primer z gravitacijo
- Newtonov univerzalni zakon gravitacije
- Primer z Newtonovim univerzalnim zakonom o gravitaciji
- Albert Einsteins Teorija splošne relativnosti
- Gravitacija je pomembna
Študent fizike se lahko z gravitacijo v fiziki srečuje na dva različna načina: kot pospešek zaradi gravitacije na Zemlji ali drugih nebesnih telesih ali kot sila privlačnosti med dvema objektoma v vesolju. Dejansko je gravitacija ena najbolj temeljnih sil v naravi.
Sir Isaac Newton je razvil zakone, s katerimi je opisal oboje. Newtonov drugi zakon (Fmreža = ma) velja za vsako neto silo, ki deluje na predmet, vključno s silo gravitacije, ki se pojavi v lokalu katerega koli velikega telesa, kot je planet. Newtonov zakon o splošni gravitaciji, inverzni kvadratni zakon, razlaga gravitacijski poteg ali privlačnost med dvema objektoma.
Sila teže
Gravitacijska sila, ki jo občuti predmet znotraj gravitacijskega polja, je vedno usmerjena proti središču mase, ki ustvarja polje, kot je središče Zemlje. Ker ni drugih sil, ga je mogoče opisati s pomočjo Newtonovega odnosa Fmreža = ma, kje Fmreža je sila gravitacije v Newtonih (N), m masa v kilogramih (kg) in a je pospešek zaradi gravitacije v m / s2.
Vsi predmeti znotraj gravitacijskega polja, kot so vse skale na Marsu, doživljajo enako pospešek proti sredini polja delujejo na svoje mase. Tako je edini dejavnik, ki spreminja silo teže, ki ga občutijo različni predmeti na istem planetu, njihova masa: Večja kot je masa, večja je sila gravitacije in obratno.
Sila gravitacije je njegova teža v fiziki, čeprav se pogovorno teža pogosto uporablja drugače.
Pospešek zaradi težnosti
Newtonov drugi zakon, Fmreža = ma, kaže, da a neto sila povzroči, da se masa pospeši. Če je neto sila iz gravitacije, se ta pospešek imenuje pospešek zaradi gravitacije; za predmete v bližini velikih velikih teles, kot so planeti, je ta pospešek približno stalen, kar pomeni, da vsi predmeti padejo z istim pospeškom.
V bližini Zemljine površine ima ta konstanta posebno spremenljivko: g. "Mali g," kot g se pogosto imenuje, ima vedno konstantno vrednost 9,8 m / s2. (Stavek "malo g" to konstanto razlikuje od druge pomembne gravitacijske konstante, Gali "velik G", ki velja za Univerzalni zakon o gravitaciji.) Vsak predmet, ki se spušča blizu Zemljine površine, bo padal proti središču Zemlje z vedno večjo hitrostjo, vsaka sekunda pa bo za 9,8 m / s hitrejša kot drugi prej.
Na Zemlji je sila gravitacije na objekt mase m je:
Fgrav = mg
Primer z gravitacijo
Astronavti dosežejo oddaljeni planet in ugotovijo, da je tam potrebnih osemkrat več sile, kot je na Zemlji. Kakšen je pospešek zaradi gravitacije na tem planetu?
Na tem planetu je sila gravitacije osemkrat večja. Ker so množice predmetov temeljna lastnost teh predmetov, jih ni mogoče spremeniti, to pomeni vrednost g mora biti tudi osemkrat večji:
8Fgrav = m (8 g)
Vrednost g na Zemlji je 9,8 m / s2, torej 8 × 9,8 m / s2 = 78,4 m / s2.
Newtonov univerzalni zakon gravitacije
Drugi Newtonovi zakoni, ki veljajo za razumevanje gravitacije v fiziki, so izhajali iz zmede Newtona s pomočjo drugih ugotovitev fizikov. Poskušal je razložiti, zakaj imajo planeti solarnih sistemov eliptične orbite in ne krožne orbite, kot ga je opazoval in matematično opisal Johannes Kepler v svojem istoimenskem zakonu.
Newton je ugotovil, da se gravitacijske privlačnosti med planeti, ko se približujejo in dlje drug od drugega, igrajo v gibanje planetov. Ti planeti so bili v resnici v prostem padu. To privlačnost je količinsko določil v svojem Univerzalni zakon o gravitaciji:
F_ {grav} = G frac {m_1m_2} {r ^ 2}Kje Fgrav _poprej je sila teže v Newtonih (N), _m1 in m2 so mase prvega in drugega predmeta v kilogramih (kg) (na primer masa Zemlje in masa predmeta v bližini Zemlje), in d2 je kvadrat razdalje med njimi v metrih (m).
Spremenljivka G, imenovano "velik G", je univerzalna gravitacijska konstanta. To je ima enako vrednost povsod v vesolju. Newton ni odkril vrednosti G (Henry Cavendish jo je eksperimentalno ugotovil po Newtonovi smrti), vendar je ugotovil sorazmernost sile do mase in razdalje brez nje.
Enačba prikazuje dva pomembna razmerja:
Newtonova teorija je znana tudi kot inverzni kvadratni zakon zaradi druge točke zgoraj. Pojasnjuje, zakaj gravitacijska privlačnost med dvema predmetoma hitro izpade, ko se ločita, veliko hitreje, kot če spremenimo maso obeh ali obeh.
Primer z Newtonovim univerzalnim zakonom o gravitaciji
Kakšna je sila privlačnosti med kometom s 8000 kg, ki je 70 000 m oddaljen od 200-kilogramskega kometa?
začnite {poravnano} F_ {grav} & = 6.674 × 10 ^ {- 11} frac {m ^ 3} {kgs ^ 2} ( dfrac {8.000 kg × 200 kg} {70.000 ^ 2}) & = 2.18 × 10 ^ {- 14} konec {poravnano}Albert Einsteins Teorija splošne relativnosti
Newton je neverjetno delo napovedal gibanje predmetov in količinsko določil silo gravitacije v 1600-ih. Toda približno 300 let pozneje je drug velik um - Albert Einstein - izzval to razmišljanje z novim in natančnejšim načinom razumevanja gravitacije.
Po Einsteinu je gravitacija popačenje vesoljski čas, tkanina vesolja samega. Prostor za masivne osnove, kot žoga za balinanje, ustvari vdolbino na posteljni plošči, bolj masivni predmeti, kot so zvezde ali črne luknje, pa izkrivijo prostor z učinki, ki jih zlahka opazimo v teleskopu - upogibanje svetlobe ali sprememba gibanja predmetov blizu teh mas .
Einsteinova teorija splošne relativnosti se je lepo dokazala z razlago, zakaj ima Merkur, majhen planet, ki je najbližje soncu v našem osončju, orbito z merljivo razliko od tiste, ki jo napovedujejo Newtonovi zakoni.
Medtem ko je splošna relativnost bolj natančna pri razlagi gravitacije kot Newtonovi zakoni, je razlika v izračunih, ki se uporabljajo bodisi, opazna večinoma le na "relativističnih" lestvicah - gledanje izjemno masivnih predmetov v kozmosu ali skoraj svetlobne hitrosti. Zato Newtonovi zakoni ostajajo danes uporabni in ustrezni pri opisovanju številnih situacij v resničnem svetu, s katerimi se lahko sreča povprečen človek.
Gravitacija je pomembna
"Univerzalni" del Newtonovega univerzalnega zakona o gravitaciji ni hiperboličen. Ta zakon velja za vse v vesolju z maso! Vsaka dva delca se med seboj privlačita, kot tudi dve galaksiji. Seveda na dovolj velikih razdaljah privlačnost postane tako majhna, da je dejansko enaka nič.
Glede na to, kako pomembna je teža pri opisovanju kako deluje vsa zadeva, pogovorne angleške opredelitve gravitacija (glede na Oxford: "skrajni ali zaskrbljujoč pomen; resnost") ali gravitas ("dostojanstvo, resnost ali slovesnost manira") dobijo dodaten pomen. Če pa se kdo sklicuje na "težo situacije", bo fizik še vedno potreboval pojasnilo: Ali mislijo na velik G ali majhen g?