Innhold
- Force of Gravity
- Akselerasjon på grunn av tyngdekraften
- Eksempel med tyngdekraft
- Newtons Universal Gravitation Law
- Eksempel med Newtons Universal Law of Gravitation
- Albert Einsteins teori om generell relativitet
- Tyngdekraft er viktig
En fysikkstudent kan støte på tyngdekraften i fysikken på to forskjellige måter: som akselerasjonen på grunn av tyngdekraften på jorden eller andre himmellegemer, eller som tiltrekningskraften mellom to objekter i universet. Tyngdekraften er faktisk en av de mest grunnleggende kreftene i naturen.
Sir Isaac Newton utviklet lover for å beskrive begge. Newtons Second Law (Fnett = ma) gjelder for enhver nettokraft som virker på et objekt, inkludert tyngdekraften som oppleves i lokaliteten til ethvert stort legeme, for eksempel en planet. Newtons Law of Universal Gravitation, en omvendt firkantet lov, forklarer gravitasjonstrekket eller tiltrekningen mellom to objekter.
Force of Gravity
Tyngdekraften som en gjenstand opplever i et gravitasjonsfelt, retter seg alltid mot sentrum av massen som genererer feltet, for eksempel midt på jorden. I mangel av andre krefter, kan det beskrives ved hjelp av det Newtonianske forholdet Fnett = ma, hvor Fnett er tyngdekraften i Newtons (N), m er masse i kg (kg) og en er akselerasjon på grunn av tyngdekraften i m / s2.
Alle gjenstander inne i et gravitasjonsfelt, for eksempel alle bergarter på Mars, opplever det samme akselerasjon mot midten av feltet handler på massene deres. Dermed er den eneste faktoren som endrer tyngdekraften som føles av forskjellige objekter på samme planet, deres masse: Jo mer masse, jo større er tyngdekraften og omvendt.
Tyngdekraften er dens vekt i fysikk, selv om den alminnelige vekten ofte brukes annerledes.
Akselerasjon på grunn av tyngdekraften
Newtons Second Law, Fnett = ma, viser at a nettokraft får en masse til å akselerere. Hvis nettokraften kommer fra tyngdekraften, kalles denne akselerasjonen akselerasjon på grunn av tyngdekraften; for gjenstander i nærheten av bestemte store kropper som planeter er denne akselerasjonen tilnærmet konstant, noe som betyr at alle objekter faller med samme akselerasjon.
Nær jordas overflate er denne konstanten gitt sin egen spesielle variabel: g. "Lille g," som g kalles ofte, har alltid en konstant verdi på 9,8 m / s2. (Uttrykket "liten g" skiller denne konstanten fra en annen viktig gravitasjonskonstant, G, eller "stor G", som gjelder den universelle gravitasjonsloven.) Ethvert objekt som faller nær jordoverflaten vil falle mot jordens sentrum i en stadig økende hastighet, hvert sekund går 9,8 m / s raskere enn det andre før.
På jorden, tyngdekraften på et masseobjekt m er:
FGrav = mg
Eksempel med tyngdekraft
Astronauter når en fjern planet og synes det tar åtte ganger så mye kraft å løfte gjenstander der enn det gjør på Jorden. Hva er akselerasjonen på grunn av tyngdekraften på denne planeten?
På denne planeten er tyngdekraften åtte ganger større. Siden massene av objekter er en grunnleggende egenskap for disse objektene, kan de ikke endre seg, det betyr verdien av g må være åtte ganger større også:
8FGrav = m (8g)
Verdien av g på jorden er 9,8 m / s2, så 8 × 9,8 m / s2 = 78,4 m / s2.
Newtons Universal Gravitation Law
Den andre av Newtons lover som gjaldt for å forstå tyngdekraften i fysikken, ble resultatet av Newton som undret seg gjennom en annen fysikers funn. Han prøvde å forklare hvorfor solsystemets planeter har elliptiske baner snarere enn sirkulære baner, slik det ble observert og matematisk beskrevet av Johannes Kepler i hans sett med eponyme lover.
Newton bestemte at gravitasjonsattraksjonene mellom planetene når de kom nærmere og lenger fra hverandre, spilte inn i planetenes bevegelse. Disse planetene var faktisk i fritt fall. Han kvantifiserte denne attraksjonen i sin Universell gravitasjonslov:
F_ {Grav} = G frac {m_1m_2} {r ^ 2}Hvor FGrav _again er tyngdekraften i Newtons (N), _m1 og m2 er massene til henholdsvis den første og den andre gjenstanden i kilogram (kg) (for eksempel massen på jorden og massen til gjenstanden nær jorden), og d2 er kvadratet for avstanden mellom dem i meter (m).
Variabelen G, kalt "stor G", er den universelle gravitasjonskonstanten. Den har samme verdi overalt i universet. Newton oppdaget ikke verdien av G (Henry Cavendish fant den eksperimentelt etter Newtons død), men han fant proporsjonaliteten av kraft til masse og avstand uten den.
Ligningen viser to viktige sammenhenger:
Newtons teori er også kjent som en omvendt firkantet lov på grunn av det andre punktet over. Det forklarer hvorfor gravitasjonsattraksjonen mellom to objekter faller raskt av når de skiller seg, mye raskere enn hvis du endrer massen til en eller begge deler.
Eksempel med Newtons Universal Law of Gravitation
Hva er tiltrekningskraften mellom en komet på 8.000 kg som er 70.000 m unna en komet på 200 kg?
begynne {justert} F_ {grav} & = 6,674 × 10 ^ {- 11} frac {m ^ 3} {kg ^ 2} ( dfrac {8000 kg × 200 kg} {70,000 ^ 2}) & = 2,18 × 10 ^ {- 14} slutt {justert}Albert Einsteins teori om generell relativitet
Newton gjorde fantastisk arbeid med å forutsi bevegelse av gjenstander og kvantifisere tyngdekraften på 1600-tallet. Men omtrent 300 år senere utfordret et annet stort sinn - Albert Einstein - denne tankegangen med en ny måte og mer nøyaktig måte å forstå tyngdekraften på.
I følge Einstein er tyngdekraften en forvrengning av romtid, stoffet i selve universet. Masse varmer plass, som en bowlingkule skaper et innrykk på et laken, og mer massive gjenstander som stjerner eller sorte hull fordrever plass med effekter som lett kan observeres i et teleskop - bøying av lys eller en endring i bevegelse av objekter i nærheten av disse massene .
Einsteins teori om generell relativitet viste seg berømt ved å forklare hvorfor Merkur, den lille planeten nærmest solen i solsystemet vårt, har en bane med en målbar forskjell fra hva som er forutsagt av Newtons Laws.
Mens generell relativitet er mer nøyaktig når det gjelder å forklare tyngdekraften enn Newtons Laws, merkes forskjellen i beregninger som bruker en av disse for det meste bare på "relativistiske" skalaer - å se på ekstremt massive gjenstander i kosmos, eller i nær lyshastigheter. Derfor er Newtons lover fortsatt nyttige og relevante i dag når de skal beskrive mange situasjoner i den virkelige verden det gjennomsnittlige menneske sannsynligvis vil møte.
Tyngdekraft er viktig
Den "universelle" delen av Newtons Universal Law of Gravitation er ikke hyperbolsk. Denne loven gjelder alt i universet med en masse! To partikler tiltrekker hverandre, og det samme gjør alle andre galakser. Selvfølgelig, på store nok avstander, blir attraksjonen så liten at den faktisk er null.
Gitt hvor viktig tyngdekraften er å beskrive hvordan all materie samhandler, de språklige engelske definisjonene av tyngde (i følge Oxford: "ekstrem eller alarmerende betydning; alvor") eller gravitas ("verdighet, alvor eller høytidelighet") får ytterligere betydning. Når det er sagt, når noen refererer til "alvorlighetsgraden av en situasjon", kan en fysiker fortsatt trenge avklaring: Mener de i form av stor G eller liten g?