Содержание
- Сила притяжения
- Ускорение силы тяжести
- Пример с гравитацией
- Универсальный закон тяготения Ньютона
- Пример с ньютоновским универсальным законом гравитации
- Альберт Эйнштейн Теория общей теории относительности
- Гравитация важна
Студент-физик может столкнуться с гравитацией в физике двумя различными способами: как ускорение, вызванное гравитацией на Земле или других небесных телах, или как сила притяжения между любыми двумя объектами во вселенной. Действительно, гравитация является одной из самых фундаментальных сил в природе.
Сэр Исаак Ньютон разработал законы, чтобы описать оба. Второй закон Ньютона (Fсеть = ма) применяется к любой чистой силе, действующей на объект, включая силу тяжести, испытываемую в локали любого большого тела, такого как планета. Закон всеобщей гравитации Ньютона, закон обратных квадратов, объясняет гравитационное притяжение или притяжение между любыми двумя объектами.
Сила притяжения
Гравитационная сила, испытываемая объектом внутри гравитационного поля, всегда направлена к центру массы, которая генерирует поле, например к центру Земли. В отсутствие каких-либо других сил, это может быть описано с использованием ньютоновских отношений Fсеть = ма, где Fсеть сила тяжести в ньютонах (Н), м масса в килограммах (кг) и ускорение силы тяжести в м / с2.
Любые объекты внутри гравитационного поля, такие как все камни на Марсе, испытывают то же самое ускорение к центру поля действуя на свои массы. Таким образом, единственным фактором, который изменяет силу тяжести, ощущаемую различными объектами на одной планете, является их масса: чем больше масса, тем больше сила гравитации и наоборот.
Сила тяжести является его вес в физике, хотя разговорный вес часто используется по-разному.
Ускорение силы тяжести
Второй закон Ньютона, Fсеть = мапоказывает, что равнодействующая сила заставляет массу ускоряться. Если чистая сила от силы тяжести, это ускорение называется ускорением силы тяжести; для объектов вблизи определенных больших тел, таких как планеты, это ускорение приблизительно постоянное, то есть все объекты падают с одинаковым ускорением.
Вблизи поверхности Земли эта константа имеет свою особую переменную: грамм, "Маленькая г", как грамм часто называется, всегда имеет постоянное значение 9,8 м / с2, (Фраза «маленький г» отличает эту постоянную от другой важной гравитационной постоянной, граммили «большой G», который применяется к Универсальному Закону Гравитации.) Любой объект, упавший вблизи поверхности Земли, будет падать к центру Земли со все возрастающей скоростью, каждую секунду разгоняясь на 9,8 м / с быстрее, чем второй раньше.
На Земле сила тяжести на объекте массы м является:
Fдериватографическими = мг
Пример с гравитацией
Астронавты достигают далекой планеты и обнаруживают, что для подъема объектов там требуется в восемь раз больше силы, чем на Земле. Какое ускорение вызвано гравитацией на этой планете?
На этой планете сила гравитации в восемь раз больше. Поскольку массы объектов являются фундаментальным свойством этих объектов, они не могут измениться, что означает ценность грамм должно быть также в восемь раз больше:
8Fдериватографическими = м (8 г)
Значение грамм на Земле это 9,8 м / с2, так 8 × 9,8 м / с2 = 78,4 м / с2.
Универсальный закон тяготения Ньютона
Второй из законов Ньютона, которые применяются к пониманию гравитации в физике, был вызван тем, что Ньютон озадачен результатами других физиков. Он пытался объяснить, почему планеты солнечных систем имеют эллиптические, а не круглые орбиты, как это наблюдал и математически описывал Иоганн Кеплер в своем наборе одноименных законов.
Ньютон определил, что гравитационные притяжения между планетами, когда они приближаются и удаляются друг от друга, влияют на движение планет. Эти планеты фактически находились в свободном падении. Он оценил эту привлекательность в своем Универсальный Закон Гравитации:
Р- {Grav} = G {гидроразрыва m_1m_2} {г ^ 2}где Fдериватографическими _again - сила тяжести в Ньютонах (Н), _m1 а также м2 - массы первого и второго объектов соответственно в килограммах (кг) (например, масса Земли и масса объекта вблизи Земли), и d2 квадрат расстояния между ними в метрах (м).
Переменная грамм, называемый "большой G", является универсальной гравитационной постоянной. Это имеет одинаковое значение везде во вселенной, Ньютон не обнаружил значение G (Генри Кавендиш обнаружил его экспериментально после смерти Ньютона), но он обнаружил пропорциональность силы по отношению к массе и расстоянию без нее.
Уравнение показывает два важных соотношения:
Теория Ньютона также известна как закон обратных квадратов из-за второго пункта выше. Это объясняет, почему гравитационное притяжение между двумя объектами уменьшается по мере их разделения, гораздо быстрее, чем при изменении массы одного или обоих из них.
Пример с ньютоновским универсальным законом гравитации
Какова сила притяжения между 8 000 кг кометы, которая находится на расстоянии 70 000 м от 200 кг кометы?
begin {align} F_ {grav} & = 6,674 × 10 ^ {- 11} frac {m ^ 3} {кг ^ 2} ( dfrac {8 000 кг × 200 кг} {70 000 ^ 2}) & = 2,18 × 10 ^ {- 14} end {выровненный}Альберт Эйнштейн Теория общей теории относительности
Ньютон проделал удивительную работу, предсказывая движение объектов и измеряя силу тяжести в 1600-х годах. Но примерно через 300 лет другой великий ум - Альберт Эйнштейн - бросил вызов этому мышлению новым способом и более точным способом понимания гравитации.
Согласно Эйнштейну, гравитация является искажением пространство-времяткань самой вселенной. Массовая деформация пространства, как шар для боулинга, создает отступ на простыне, а более массивные объекты, такие как звезды или черные дыры, деформируют пространство с эффектами, легко наблюдаемыми в телескоп - изгиб света или изменение движения объектов, близких к этим массам. ,
Теория общей теории относительности Эйнштейна доказала свою известность, объяснив, почему Меркурий, крошечная планета, расположенная ближе всего к Солнцу в нашей солнечной системе, имеет орбиту с измеримым отличием от того, что предсказывается законами Ньютона.
В то время как общая теория относительности более точна в объяснении гравитации, чем законы Ньютона, разница в вычислениях, использующих либо, заметна по большей части только в «релятивистских» масштабах - глядя на чрезвычайно массивные объекты в космосе, или на скоростях, близких к свету. Поэтому законы Ньютона остаются полезными и актуальными сегодня в описании многих реальных ситуаций, с которыми может столкнуться средний человек.
Гравитация важна
«Универсальная» часть универсального закона тяготения Ньютона не является гиперболической. Этот закон распространяется на все во вселенной с массой! Любые две частицы притягивают друг друга, как и любые две галактики. Конечно, на достаточно больших расстояниях притяжение становится настолько малым, что становится практически нулевым.
Учитывая, насколько важна серьезность для описания как взаимодействует вся материяРазговорные английские определения сила тяжести (по Оксфорду: «чрезвычайная или тревожная важность; серьезность») или многозначительность («достоинство, серьезность или торжественность манеры») приобретают дополнительное значение. Тем не менее, когда кто-то ссылается на «серьезность ситуации», физику, возможно, все еще нужно уточнить: они имеют в виду большие или маленькие g?