Innehåll
- Tyngdkraften
- Acceleration på grund av gravitation
- Exempel med gravitation
- Newtons Universal Gravitation Law
- Exempel med Newtons Universal Gravitation Law
- Albert Einsteins teori om allmän relativitet
- Tyngdekraft är viktigt
En fysikstudent kan möta tyngdkraften i fysiken på två olika sätt: som accelerationen på grund av tyngdkraften på jorden eller andra himmelkroppar, eller som attraktionskraften mellan två föremål i universum. Tyngdkraften är verkligen en av de mest grundläggande krafterna i naturen.
Sir Isaac Newton utvecklade lagar för att beskriva båda. Newtons andra lag (Fnetto = ma) gäller alla nätkrafter som verkar på ett föremål, inklusive tyngdkraften som upplevs i en stor kropps lokalitet, t.ex. en planet. Newtons Law of Universal Gravitation, en invers kvadratisk lag, förklarar gravitationskraften eller attraktionen mellan två föremål.
Tyngdkraften
Tyngdkraften som upplevs av ett föremål inom ett gravitationsfält riktas alltid mot mitten av massan som genererar fältet, till exempel jordens centrum. I frånvaro av andra krafter kan det beskrivas med hjälp av den Newtonianska relationen Fnetto = ma, var Fnetto är tyngdkraften i Newtons (N), m är massa i kilogram (kg) och en är acceleration på grund av tyngdkraften i m / s2.
Alla föremål inom ett gravitationsfält, som alla klipporna på Mars, upplever detsamma acceleration mot fältets centrum agerar på deras massor. Således är den enda faktorn som ändrar tyngdkraften som känns av olika föremål på samma planet deras massa: Ju mer massa, desto större är tyngdkraften och vice versa.
Tyngdkraften är dess vikt i fysik, även om gruppens vikt ofta används på olika sätt.
Acceleration på grund av gravitation
Newtons Second Law, Fnetto = ma, visar att a nettokraft får en massa att accelerera. Om nettokraften kommer från tyngdkraften kallas denna acceleration acceleration på grund av tyngdkraften; för objekt nära speciella stora kroppar som planeter är denna acceleration ungefär konstant, vilket innebär att alla objekt faller med samma acceleration.
Nära jordens yta ges denna konstant sin egen speciella variabel: g. "Lilla g," som g kallas ofta, har alltid ett konstant värde på 9,8 m / s2. (Frasen "lilla g" skiljer denna konstant från en annan viktig gravitationskonstant, G, eller "stor G", som gäller den universella gravitationslagen.) Varje föremål som tappas nära jordytan kommer att falla mot jordens centrum i en allt högre takt, varje sekund går 9,8 m / s snabbare än den andra före.
På jorden, tyngdkraften på ett föremål av massa m är:
Fgrav = mg
Exempel med gravitation
Astronauter når en avlägsen planet och tycker att det tar åtta gånger så mycket kraft att lyfta föremål där än de gör på jorden. Vad är accelerationen på grund av allvar på denna planet?
På denna planet är tyngdkraften åtta gånger större. Eftersom massorna av objekt är en grundläggande egenskap hos dessa objekt kan de inte förändras, det betyder värdet på g måste också vara åtta gånger större:
8Fgrav = m (8 g)
Värdet av g på jorden är 9,8 m / s2, så 8 × 9,8 m / s2 = 78,4 m / s2.
Newtons Universal Gravitation Law
Den andra av Newtons lagar som gäller förståelse av allvar i fysik resulterade från Newton förundras genom en annan fysiker fynd. Han försökte förklara varför solsystemets planeter har elliptiska banor snarare än cirkulära banor, som observerats och matematiskt beskrivs av Johannes Kepler i hans uppsättning eponymösa lagar.
Newton bestämde att gravitationsattraktionerna mellan planeterna när de kom närmare och längre från varandra spelade in i planeternas rörelse. Dessa planeter var faktiskt i fritt fall. Han kvantifierade denna attraktion i sin Universal Gravitation Law:
F_ {grav} = G frac {m_1m_2} {r ^ 2}Var Fgrav _again är tyngdkraften i Newtons (N), _m1 och m2 är massorna av de första respektive andra objekten i kilogram (kg) (till exempel massan på jorden och massan på objektet nära jorden), och d2 är kvadratet för avståndet mellan dem i meter (m).
Variabeln G, kallad "stor G", är den universella gravitationskonstanten. Det har samma värde överallt i universum. Newton upptäckte inte värdet av G (Henry Cavendish fann det experimentellt efter Newtons död), men han fann proportionaliteten av kraft till massa och distans utan den.
Ekvationen visar två viktiga förhållanden:
Newtons teori är också känd som en omvänd kvadratisk lag på grund av den andra punkten ovan. Det förklarar varför gravitationsattraktionen mellan två föremål avtar snabbt när de skiljer sig, mycket snabbare än om man ändrar massan på endera eller båda.
Exempel med Newtons Universal Gravitation Law
Vad är attraktionskraften mellan en komet på 8 000 kg som är 70 000 m från en komet på 200 kg?
börja {inriktad} F_ {grav} & = 6,674 × 10 ^ {- 11} frac {m ^ 3} {kg ^ 2} ( dfrac {8 000 kg × 200 kg} {70 000 ^ 2}) & = 2,18 × 10 ^ {- 14} slut {justerad}Albert Einsteins teori om allmän relativitet
Newton gjorde fantastiskt arbete och förutspådde rörelse av objekt och kvantifierade tyngdkraften på 1600-talet. Men ungefär 300 år senare utmanade ett annat stort sinne - Albert Einstein - detta tänkande med ett nytt sätt och mer exakt sätt att förstå allvar.
Enligt Einstein är gravitationen en snedvridning av rumtid, tyget i själva universumet. Massa varpar utrymme, som en bowlingboll skapar ett indrag på en lakan, och mer massiva föremål som stjärnor eller svarta hål varp utrymme med effekter lätt observeras i ett teleskop - böjning av ljus eller en förändring i rörelse av föremål nära dessa massor .
Einsteins teori om generell relativitet bevisade sig känt genom att förklara varför Merkurius, den lilla planeten som är närmast solen i vårt solsystem, har en bana med en mätbar skillnad från vad som förutses av Newtons lagar.
Medan allmän relativitet är mer exakt när det gäller att förklara tyngdkraften än Newtons lagar, är skillnaden i beräkningar som använder antingen märkbar till största delen endast på "relativistiska" skalor - tittar på extremt massiva objekt i kosmos eller nära hastigheter. Därför förblir Newtons lagar användbara och relevanta idag för att beskriva många verkliga situationer som den genomsnittliga människan troligen kommer att stöta på.
Tyngdekraft är viktigt
Den "universella" delen av Newtons Universal Law of Gravitation är inte hyperbolisk. Denna lag gäller för allt i universum med en massa! Alla två partiklar lockar varandra, liksom alla två galaxer. Naturligtvis, på tillräckligt stora avstånd, blir attraktionen så liten att den faktiskt är noll.
Med tanke på hur viktigt det är att beskriva hur all materia interagerar, de gemensamma engelska definitionerna av allvar (enligt Oxford: "extrem eller alarmerande betydelse; allvar") eller gravitas ("värdighet, allvar eller högtidlighet på sätt") får ytterligare betydelse. Som sagt, när någon hänvisar till "allvarens situation" kan en fysiker fortfarande behöva förtydligas: Menar de i termer av stor G eller liten g?