Sisu
- Gravitatsiooni jõud
- Gravitatsiooni tõttu kiirendus
- Näide raskusjõuga
- Newtoni universaalne gravitatsiooniseadus
- Näide Newtoni universaalse gravitatsiooniseadusega
- Albert Einsteins Üldise relatiivsusteooria
- Gravitatsioon on oluline
Füüsikatudeng võib füüsikas raskust tunda kahel erineval viisil: kas Maa peal või muudes taevakehades toimuva gravitatsiooni kiirenduse või universumi mis tahes kahe objekti vahelise tõmbejõuna. Tõepoolest, gravitatsioon on looduses üks põhilisi jõude.
Sir Isaac Newton töötas mõlema kirjeldamiseks välja seadused. Newtoni teine seadus (Fvõrk = ma) rakendatakse mis tahes objektile mõjuva võrgujõu, sealhulgas raskuse jõu suhtes, mida kogetakse mis tahes suure keha, näiteks planeedi asukohas. Newtonsi universaalse gravitatsiooni seadus, vastupidine ruudukujuline seadus, selgitab gravitatsioonilist tõmmet või külgetõmmet kahe objekti vahel.
Gravitatsiooni jõud
Gravitatsiooniväljas oleva objekti kogetav gravitatsioonijõud on alati suunatud välja genereeriva massi keskmesse, näiteks Maa keskpunkti. Muude jõudude puudumisel saab seda kirjeldada Newtoni suhte abil Fvõrk = ma, kus Fvõrk on raskusjõud njuutonites (N), m on mass kilogrammides (kg) ja a on gravitatsioonist tingitud kiirendus, m / s2.
Kõik gravitatsioonivälja sees olevad objektid, näiteks kõik Marsi kivid, kogevad sama kiirendus välja keskpunkti suunas tegutsedes nende masside järgi. Seega on ainus tegur, mis muudab gravitatsioonijõudu, mida erinevad objektid samal planeedil tunnevad, nende mass: Mida rohkem massi, seda suurem on gravitatsiooni jõud ja vastupidi.
Raskusjõud on selle kaalu füüsikas, kuigi kõnekeelt kasutatakse sageli ka erinevalt.
Gravitatsiooni tõttu kiirendus
Newtoni teine seadus, Fvõrk = ma, näitab, et a netojõud põhjustab massi kiirenemist. Kui netojõud on gravitatsioonist, nimetatakse seda kiirendust gravitatsiooni tõttu kiirenduseks; Konkreetsete suurte kehade, näiteks planeetide lähedal asuvate objektide puhul on see kiirendus ligikaudu konstantne, mis tähendab, et kõik objektid langevad sama kiirendusega.
Maa pinna lähedal antakse sellele konstandile oma spetsiaalne muutuja: g. "Väike g", nagu g nimetatakse sageli, püsiväärtus on alati 9,8 m / s2. (Väljend "väike g" eristab seda konstanti teisest olulisest gravitatsioonikonstandist, Gvõi "suur G", mis kehtib gravitatsiooni universaalse seaduse kohta.) Kõik Maa pinnale langenud objektid langevad Maa keskpunkti poole üha kiiremini, iga sekund läheb 9,8 m / s kiiremini kui teine enne.
Maal raskusjõud massiobjektil m on:
Fgrav = mg
Näide raskusjõuga
Astronaudid jõuavad kaugele planeedile ja leiavad, et nende objektide tõstmiseks kulub kaheksa korda rohkem jõudu kui Maa peal. Milline on gravitatsioonist tulenev kiirendus sellel planeedil?
Sellel planeedil on gravitatsiooni jõud kaheksa korda suurem. Kuna objektide mass on nende objektide põhiline omadus, ei saa need muutuda, see tähendab g peab olema ka kaheksa korda suurem:
8Fgrav = m (8 g)
Väärtus g Maa peal on 9,8 m / s2, seega 8 × 9,8 m / s2 = 78,4 m / s2.
Newtoni universaalne gravitatsiooniseadus
Teine Newtoni seadustest, mida kohaldatakse füüsika raskusastme mõistmisel, tulenes Newtoni mõistatusest mõne teise füüsiku leidude kaudu. Ta püüdis selgitada, miks päikesesüsteemide planeetidel on pigem ümmargused orbiidid kui elliptilised, nagu Johannes Kepler oma samanimeliste seaduste komplektis vaatles ja matemaatiliselt kirjeldas.
Newton leidis, et planeetide vahel liikusid gravitatsioonilised atraktsioonid, kui nad üksteisele lähemale ja kaugemale jõudsid. Need planeedid olid tegelikult vabalanguses. Ta kvantifitseeris seda külgetõmmet oma Universaalne gravitatsiooniseadus:
F_ {grav} = G frac {m_1m_2} {r ^ 2}Kus Fgrav _again on raskusjõud njuutonites (N), _m1 ja m2 on vastavalt esimese ja teise objekti mass kilogrammides (kg) (näiteks Maa mass ja Maa lähedal asuva objekti mass) ja d2 on nende vahelise kauguse ruut meetrites (m).
Muutuja G, mida nimetatakse "suureks G", on universaalne gravitatsioonikonstant. See on sama väärtus kõikjal universumis. Newton ei avastanud G väärtust (Henry Cavendish leidis selle katseliselt pärast Newtoni surma), kuid ilma selleta leidis ta jõu proportsionaalsuse massi ja vahemaa suhtes.
Võrrand näitab kahte olulist seost:
Newtoni teooriat tuntakse ka kui ruutkeskmine seadus ülaltoodud teise punkti tõttu. See selgitab, miks kahe objekti vaheline gravitatsiooniline külgetõmbejõud laguneb nende eraldumisel kiiresti, palju kiiremini kui siis, kui ühe või mõlema mass muutub.
Näide Newtoni universaalse gravitatsiooniseadusega
Milline on tõmbejõud 8000 kg kaaluva komeedi vahel, mis asub 200 kg kaaluvast komeedist 70 000 m kaugusel?
alustage {joondatud} F_ {grav} & = 6,664 × 10 ^ {- 11} frac {m ^ 3} {kg ^ 2} ( dfrac {8000 kg × 200 kg} {70 000 ^ 2}) & = 2,18 × 10 ^ {- 14} lõpp {joondatud}Albert Einsteins Üldise relatiivsusteooria
Newton tegi hämmastavat tööd, ennustades objektide liikumist ja kvantitatiivselt raskusjõudu 1600. aastatel. Kuid umbes 300 aastat hiljem esitas teine suur meel - Albert Einstein - väljakutse sellele mõtlemisele uue ja täpsema raskuse mõistmise viisi abil.
Einsteini sõnul on gravitatsioon moonutatud kosmoseaeg, universumi enda kangas. Massiüksused tõmbavad ruumi, nagu keeglikall, voodilinale taande ja massiivsemad objektid nagu tähed või mustad augud lõimivad ruumi, mille efekte on teleskoobis hõlpsasti võimalik jälgida - valguse painutamine või nende masside lähedal asuvate objektide liikumise muutus .
Einsteini üldrelatiivsusteooria tõestas end kuulsalt, selgitades, miks meie päikesesüsteemis päikesele kõige lähemal asuval pisikesel planeedil Merkuur on orbiit, mille mõõdetav erinevus on Newtoni seaduste järgi ennustatav.
Kui üldrelatiivsus on gravitatsiooni selgitamisel täpsem kui Newtoni seadustel, on kumbagi kasutavate arvutuste erinevus märgatav enamasti ainult "relativistlikel" skaaladel - vaadates kosmoses eriti massiivseid objekte või peaaegu valguse kiirust. Seetõttu on Newtoni seadused tänapäeval kasulikud ja asjakohased paljude reaalse maailma olukordade kirjeldamisel, millega keskmine inimene tõenäoliselt kokku puutub.
Gravitatsioon on oluline
Newtoni universaalse gravitatsiooniseaduse "universaalne" osa ei ole hüperboolne. See seadus kehtib kõigile massiga universumis! Kõik kaks osakest meelitavad üksteist, nagu ka kõik kaks galaktikat. Muidugi, piisavalt suurte vahemaade korral muutub atraktsioon nii väikeseks, et see on tegelikult null.
Arvestades, kui oluline on kirjeldamise raskusaste kuidas kogu mateeria suhestub, inglise keele kõnekeeles esitatud määratlused gravitatsioon (Oxfordi sõnul: "äärmuslik või murettekitav tähtsus; tõsidus") või gravitas ("väärikus, tõsidus või pidulikkus") omandavad täiendava tähtsuse. Kui keegi viitab "olukorra tõsidusele", võib füüsik siiski vajada selgitust: kas nad peavad silmas suurt G või väikest g?