Conţinut
- Forta gravitatiei
- Accelerarea datorată gravitației
- Exemplu cu gravitate
- Newtons Legea universală a gravitației
- Exemplu cu Newtons Legea universală a gravitației
- Albert Einsteins Teoria relativității generale
- Gravitatea este importantă
Un student în fizică ar putea întâlni gravitația în fizică în două moduri diferite: ca accelerație datorată gravitației pe Pământ sau alte corpuri cerești sau ca forță de atracție între oricare două obiecte din univers. Într-adevăr, gravitația este una dintre cele mai fundamentale forțe din natură.
Sir Isaac Newton a elaborat legi care să le descrie pe amândouă. Newtons A doua lege (Fnet = ma) se aplică oricărei forțe nete care acționează asupra unui obiect, inclusiv forței gravitaționale experimentate în localitatea oricărui corp mare, cum ar fi o planetă. Newtons Legea gravitației universale, o lege pătrată inversă, explică atracția sau atracția gravitațională dintre oricare două obiecte.
Forta gravitatiei
Forța gravitațională experimentată de un obiect în cadrul unui câmp gravitațional este întotdeauna direcționată spre centrul masei care generează câmpul, cum ar fi centrul Pământului. În absența altor forțe, ea poate fi descrisă folosind relația newtoniană Fnet = ma, Unde Fnet este forța gravitației în Newton (N), m este masa în kilograme (kg) și A este accelerația datorată gravitației în m / s2.
Orice obiecte din interiorul unui câmp gravitațional, cum ar fi toate rocile de pe Marte, experimentează la fel accelerare spre centrul terenului acționând asupra maselor lor. Astfel, singurul factor care schimbă forța gravitației resimțită de diferite obiecte de pe aceeași planetă este masa lor: Cu cât este mai multă masă, cu atât forța gravitației este mai mare și invers.
Forța gravitației este greutatea sa în fizică, deși coloidal greutatea este adesea folosită diferit.
Accelerarea datorată gravitației
Newtons A doua lege, Fnet = ma, arată că a forta neta determină accelerarea unei mase. Dacă forța netă este din gravitație, această accelerație se numește accelerație datorată gravitației; pentru obiectele din apropierea corpurilor mari, cum ar fi planetele, această accelerație este aproximativ constantă, ceea ce înseamnă că toate obiectele cad cu aceeași accelerație.
În apropierea suprafeței Pământului, această constantă este dată de propria sa variabilă specială: g. „Mic g”, ca. g este adesea numit, are întotdeauna o valoare constantă de 9,8 m / s2. (Expresia „mic g” distinge această constantă de o altă constantă gravitațională importantă, Gsau „G mare”, care se aplică Legii universale a gravitației.) Orice obiect căzut lângă suprafața Pământului va cădea spre centrul Pământului cu o viteză în continuă creștere, fiecare secundă mergând cu 9,8 m / s mai repede decât a doua înainte.
Pe Pământ, forța gravitației asupra unui obiect de masă m este:
FGrav = mg
Exemplu cu gravitate
Astronauții ajung pe o planetă îndepărtată și găsesc că este nevoie de opt ori mai multă forță pentru a ridica obiectele acolo decât pe Pământ. Care este accelerația datorată gravitației pe această planetă?
Pe această planetă forța gravitației este de opt ori mai mare. Deoarece masele de obiecte sunt o proprietate fundamentală a acestor obiecte, ele nu se pot schimba, asta înseamnă valoarea lui g trebuie să fie și de opt ori mai mare:
8FGrav = m (8g)
Valoarea a g pe Pământ este de 9,8 m / s2, deci 8 × 9,8 m / s2 = 78,4 m / s2.
Newtons Legea universală a gravitației
A doua dintre legile Newton care se aplică înțelegerii gravitației în fizică a rezultat din încurcarea lui Newton prin alte descoperiri ale fizicienilor. El încerca să explice de ce planetele sistemelor solare au orbite eliptice, mai degrabă decât orbite circulare, așa cum a fost observat și descris matematic de Johannes Kepler în setul său de legi eponime.
Newton a stabilit că atracțiile gravitaționale dintre planete, pe măsură ce se apropiau și mai departe unul de celălalt, se jucau în mișcarea planetelor. Aceste planete erau de fapt în cădere liberă. El a cuantificat această atracție în a sa Legea universală a gravitației:
F_ {} = G grav frac {m_1m_2} {r ^ 2}Unde FGrav _again este forța gravitației în Newton (N), _m1 și m2 sunt masele primului și al doilea obiect, respectiv, în kilograme (kg) (de exemplu, masa Pământului și masa obiectului de lângă Pământ) și d2 este pătratul distanței dintre ei în metri (m).
Variabila G, numită „G mare”, este constanta gravitațională universală. Aceasta are aceeași valoare peste tot în univers. Newton nu a descoperit valoarea lui G (Henry Cavendish a găsit-o experimental după moartea lui Newtons), dar a găsit proporționalitatea forței cu masa și distanța fără ea.
Ecuația arată două relații importante:
Teoria Newton este cunoscută și ca an legea pătrată inversă din cauza celui de-al doilea punct de mai sus. Acesta explică de ce atracția gravitațională dintre două obiecte se desprinde repede pe măsură ce se separă, mult mai repede decât dacă se schimbă masa unuia sau ambelor.
Exemplu cu Newtons Legea universală a gravitației
Care este forța de atracție între o cometă de 8.000 kg care se află la 70.000 m de o cometă de 200 kg?
begin {align} 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 {aliniat}Albert Einsteins Teoria relativității generale
Newton a făcut lucrări uimitoare prevestind mișcarea obiectelor și cuantificând forța gravitației în anii 1600. Însă aproximativ 300 de ani mai târziu, o altă minte grozavă - Albert Einstein - a contestat această gândire cu un mod nou și cu un mod mai precis de înțelegere a gravitației.
Potrivit lui Einstein, gravitatea este o distorsiune a spațiu timp, țesătura universului în sine. Spațiul de deformare în masă, precum o minge de bowling, creează o liniuță pe o foaie de pat, iar obiectele mai masive precum stelele sau găurile negre spațiu de urzeală cu efecte ușor de observat într-un telescop - aplecarea luminii sau o schimbare în mișcare a obiectelor apropiate acelor mase .
Teoria relativității generale a lui Einsteins s-a dovedit faimos prin faptul că a explicat de ce Mercur, planeta minusculă cea mai apropiată de soare în sistemul nostru solar, are o orbită cu o diferență măsurabilă de ceea ce este prevăzut de Legile Newtons.
În timp ce relativitatea generală este mai exactă în explicarea gravitației decât Legile Newton, diferența de calcul folosind fie se observă în cea mai mare parte doar pe scări „relativiste” - privind obiectele extrem de masive din cosmos sau o viteză aproape de lumină. Prin urmare, Legile Newtons rămân utile și relevante astăzi în descrierea multor situații din lumea reală pe care omul mediu este probabil să o întâlnească.
Gravitatea este importantă
Partea „universală” a Legii gravitației universale a lui Newtons nu este hiperbolică. Această lege se aplică tuturor lucrurilor din univers cu o masă! Orice două particule se atrag una pe cealaltă, la fel ca orice două galaxii. Desigur, la distanțe suficient de mari, atracția devine atât de mică încât să fie efectiv zero.
Având în vedere cât de importantă este gravitatea descrierii cum interacționează toată materia, definițiile colocviale în engleză ale gravitatie (conform Oxford: „importanță extremă sau alarmantă; seriozitate”) sau gravitas („demnitatea, seriozitatea sau solemnitatea manierei”) au o semnificație suplimentară. Acestea fiind spuse, când cineva se referă la „gravitatea unei situații”, un fizician ar putea avea încă nevoie de clarificări: Înseamnă în termeni de G mare sau de mic g?