Съдържание
- Сила на гравитацията
- Ускорение поради гравитацията
- Пример с гравитация
- Нютонов универсален закон на гравитацията
- Пример с Нютонов универсален закон на гравитацията
- Алберт Айнщайн Теория на общата относителност
- Гравитацията е важна
Студентът по физика може да срещне гравитацията във физиката по два различни начина: като ускорението, което се дължи на гравитацията на Земята или други небесни тела, или като силата на привличане между всеки два обекта във Вселената. Всъщност гравитацията е една от най-основните сили в природата.
Сър Исак Нютон разработи закони, за да опише и двете. Нютони втори закон (Fнето = ма) се прилага за всяка сила на сила, действаща върху даден обект, включително силата на гравитация, изпитвана в локала на всяко голямо тяло, като планета. Законът на Нютоните за универсалното гравитация, обратният квадратен закон, обяснява гравитационното дърпане или привличане между всеки два обекта.
Сила на гравитацията
Гравитационната сила, изпитвана от обект в гравитационното поле, винаги е насочена към центъра на масата, която генерира полето, като центъра на Земята. При липсата на каквито и да било други сили, това може да се опише с помощта на Нютоновата връзка Fнето = ма, където Fнето е силата на гравитацията в Нютони (N), m е маса в килограми (kg) и а е ускорение поради гравитацията в m / s2.
Всички обекти в гравитационното поле, като всички скали на Марс, изпитват същото ускорение към центъра на полето действащи върху техните маси. По този начин, единственият фактор, който променя силата на гравитацията, усещана от различни обекти на една и съща планета, е тяхната маса: Колкото повече е масата, толкова по-голяма е силата на гравитацията и обратно.
Силата на гравитацията е теглото му във физиката, макар че разговорно теглото често се използва по различен начин.
Ускорение поради гравитацията
Втори закон на Нютон, Fнето = ма, показва, че a нетна сила предизвиква ускоряване на маса. Ако нетната сила е от гравитацията, това ускорение се нарича ускорение поради гравитацията; за обекти в близост до конкретни големи тела като планети това ускорение е приблизително постоянно, което означава, че всички обекти падат с едно и също ускорение.
В близост до повърхността на Земята, тази константа получава своя собствена специална променлива: г, "Малко г", както г често се нарича, винаги има постоянна стойност от 9,8 m / s2, (Фразата "малко g" отличава тази константа от друга важна гравитационна константа, Gили "голям G", който се прилага за Универсалния закон за гравитацията.) Всеки предмет, изпуснат в близост до повърхността на Земята, ще пада към центъра на Земята с непрекъснато нарастваща скорост, всяка секунда с 9,8 м / сек по-бърза от втората преди.
На Земята силата на гравитацията върху обект с маса m е:
FГрав = mg
Пример с гравитация
Астронавтите достигат далечна планета и откриват, че е необходима осем пъти повече сила за повдигане на обекти там, отколкото на Земята. Какво е ускорението поради гравитацията на тази планета?
На тази планета силата на гравитацията е осем пъти по-голяма. Тъй като масивите от обекти са основно свойство на тези обекти, те не могат да се променят, това означава стойността на г трябва да бъде и осем пъти по-голям:
8FГрав = m (8 g)
Стойността на г на Земята е 9,8 m / s2, така че 8 × 9,8 m / s2 = 78.4 m / s2.
Нютонов универсален закон на гравитацията
Вторият от законите на Нютон, който се прилага за разбирането на гравитацията във физиката, е резултат от озадачаването на Нютон чрез други открития на физиците. Той се опитваше да обясни защо планетите на слънчевите системи имат елиптични орбити, а не кръгови орбити, както е наблюдавано и математически описано от Йоханес Кеплер в неговия набор от едноименни закони.
Нютон определи, че гравитационните атракции между планетите, когато се приближават и се отдалечават една от друга, играят в движението на планетите. Тези планети всъщност бяха в свободно падане. Той количествено определи това привличане в своето Универсален закон за гравитацията:
F_ {Grav} = G Frac {m_1m_2} {R ^ 2}Където FГрав _последствие е силата на гравитацията в Нютони (N), _m1 и m2 са масите на първия и втория обект, съответно, в килограми (кг) (например масата на Земята и масата на обекта в близост до Земята), и д2 е квадратът на разстоянието между тях в метри (m).
Променливата G, наречен "голям G", е универсалната гравитационна константа. То има еднаква стойност навсякъде във Вселената, Нютон не откри стойността на G (Хенри Кавендиш го откри експериментално след смъртта на Нютон), но откри пропорционалността на силата и масата и разстоянието без нея.
Уравнението показва две важни отношения:
Нютоновата теория е известна още като обратен квадратен закон поради втората точка по-горе. Това обяснява защо гравитационното привличане между два обекта отпада бързо, когато се разделят, много по-бързо, отколкото ако променяте масата на единия или на двата.
Пример с Нютонов универсален закон на гравитацията
Каква е силата на привличане между 8 000 кг комета, която е на 70 000 м от кометата с 200 кг?
начало {подравнено} F_ {грав} & = 6.674 × 10 ^ {- 11} frac {m ^ 3} {kgs ^ 2} ( dfrac {8,000 kg × 200 kg} {70,000 ^ 2}) & = 2.18 × 10 ^ {- 14} край {подравнен}Алберт Айнщайн Теория на общата относителност
Нютон извърши невероятна работа, предвиждайки движението на обектите и количествено определяне на силата на гравитацията през 1600-те. Но приблизително след 300 години друг голям ум - Алберт Айнщайн - предизвика това мислене с нов начин и по-точен начин на разбиране на гравитацията.
Според Айнщайн гравитацията е изкривяване на космическо време, тъканта на самата Вселена. Масовото пространство на основата, като топка за боулинг, създава отстъп на чаршафа, а по-масивните предмети като звезди или черни дупки изкривяват пространството с ефекти, лесно наблюдавани в телескоп - огъване на светлина или промяна в движението на предмети, близки до тези маси ,
Теорията на общата относителност на Айнщайнс се доказа отлично, като обясни защо Меркурий, малката планета, най-близка до Слънцето в нашата Слънчева система, има орбита с измерима разлика от предвиденото от законите на Нютон.
Докато общата относителност е по-точна при обясняване на гравитацията от законите на Нютон, разликата в изчисленията, използващи или е забележима в по-голямата си част само на "релативистични" скали - гледане на изключително масивни предмети в Космоса или скорости на почти светлина. Следователно Законите на Нютоните остават полезни и актуални и днес при описване на много ситуации в реалния свят, с които е вероятно да се срещне обикновеният човек.
Гравитацията е важна
„Универсалната“ част на Универсалния закон за гравитацията на Нютон не е хиперболична. Този закон се прилага за всичко във Вселената с маса! Всяка две частици се привличат една друга, както и всяка две галактики. Разбира се, на достатъчно големи разстояния привличането става толкова малко, че да бъде ефективно нулева.
Имайки предвид колко важна е гравитацията за описване как взаимодейства цялата материя, разговорните английски определения на земно притегляне (според Оксфорд: "изключително или тревожно значение; сериозност") или Gravitas ("достойнство, сериозност или тържественост на маниера") придобиват допълнително значение. Това каза, когато някой се позовава на "тежестта на дадена ситуация", физикът все още може да се нуждае от пояснение: Те имат ли предвид по отношение на голям G или малък g?