Indhold
- Tyngdekraft
- Acceleration på grund af tyngdekraften
- Eksempel med tyngdekraft
- Newtons Universal Gravitation Law
- Eksempel med Newtons Universal Gravitation Law
- Albert Einsteins teori om generel relativitet
- Tyngdekraften er vigtig
En fysikstuderende kan muligvis støde på tyngdekraften i fysikken på to forskellige måder: som accelerationen på grund af tyngdekraften på Jorden eller andre himmellegemer, eller som tiltrækningskraften mellem to objekter i universet. Tyngdekraften er faktisk en af de mest grundlæggende kræfter i naturen.
Sir Isaac Newton udviklede love til at beskrive begge dele. Newtons anden lov (Fnet = ma) gælder for enhver nettokraft, der virker på et objekt, herunder tyngdekraften, der opleves i lokaliteten til ethvert stort legeme, såsom en planet. Newtons Law of Universal Gravitation, en omvendt firkantet lov, forklarer tyngdekraften eller tiltrækningen mellem to objekter.
Tyngdekraft
Tyngdekraften, der opleves af en genstand inden for et tyngdefelt, er altid rettet mod midten af den masse, der genererer feltet, såsom Jordens centrum. I mangel af andre kræfter kan det beskrives ved hjælp af det Newtonske forhold Fnet = ma, hvor Fnet er tyngdekraften i Newton (N), m er masse i kg (kg) og -en er acceleration på grund af tyngdekraften i m / s2.
Alle genstande inden for et tyngdefelt, såsom alle klipper på Mars, oplever det samme acceleration mod midten af feltet handler på deres masser. Således er den eneste faktor, der ændrer tyngdekraften, der føles af forskellige objekter på den samme planet, deres masse: Jo mere masse, jo større er tyngdekraften, og vice versa.
Tyngdekraften er dens vægt i fysik, selvom almindelig vægt ofte bruges anderledes.
Acceleration på grund af tyngdekraften
Newtons anden lov, Fnet = ma, viser, at a nettokraft får en masse til at accelerere. Hvis nettokraften kommer fra tyngdekraften, kaldes denne acceleration acceleration på grund af tyngdekraften; for genstande i nærheden af bestemte store kroppe som planeter er denne acceleration omtrent konstant, hvilket betyder, at alle objekter falder med den samme acceleration.
Tæt på jordoverfladen får denne konstante sin egen specielle variabel: g. "Lille g," som g kaldes ofte, har altid en konstant værdi på 9,8 m / s2. (Udtrykket "lille g" adskiller denne konstante fra en anden vigtig gravitationskonstant, G, eller "stor G", der gælder for den universelle gravitationslov.) Ethvert objekt, der falder nær jordoverfladen, falder mod Jordens centrum i en stigende hastighed, hvert sekund går 9,8 m / s hurtigere end det andet før.
På Jorden er tyngdekraften på et masseobjekt m er:
Fgrav = mg
Eksempel med tyngdekraft
Astronauter når en fjern planet og finder, at det tager otte gange så meget kraft at løfte objekter der, end det gør på Jorden. Hvad er accelerationen på grund af tyngdekraften på denne planet?
På denne planet er tyngdekraften otte gange større. Da masserne af objekter er en grundlæggende egenskab for disse objekter, kan de ikke ændres, det betyder værdien af g skal også være otte gange større:
8Fgrav = m (8 g)
Værdien af g på Jorden er 9,8 m / s2, så 8 × 9,8 m / s2 = 78,4 m / s2.
Newtons Universal Gravitation Law
Den anden af Newtons love, der gælder for forståelse af tyngdekraften i fysik, blev resultatet af Newton forundrende gennem en anden fysikers fund. Han prøvede at forklare, hvorfor solsystemets planeter har elliptiske bane snarere end cirkulære bane, som observeret og matematisk beskrevet af Johannes Kepler i hans sæt af ensbetegnede love.
Newton bestemte, at gravitationsattraktionerne mellem planeterne, når de kom tættere og længere fra hinanden, spillede ind i planetenes bevægelse. Disse planeter var faktisk i frit fald. Han kvantificerede denne attraktion i sin Universel gravitationslov:
F_ {grav} = G frac {m_1m_2} {r ^ 2}Hvor Fgrav _again er tyngdekraften i Newtons (N), _m1 og m2 er masserne af henholdsvis den første og den anden genstand i kg (kg) (for eksempel massen af Jorden og massen af objektet nær Jorden), og d2 er kvadratet på afstanden mellem dem i meter (m).
Variablen G, kaldet "stort G", er den universelle gravitationskonstant. Det har den samme værdi overalt i universet. Newton opdagede ikke værdien af G (Henry Cavendish fandt det eksperimentelt efter Newtons død), men han fandt proportionaliteten af styrke til masse og afstand uden den.
Ligningen viser to vigtige forhold:
Newtons teori er også kendt som en omvendt firkantet lov på grund af det andet punkt ovenfor. Det forklarer, hvorfor gravitationsattraktionen mellem to objekter falder hurtigt, når de adskilles, meget hurtigere end hvis man ændrer massen på en eller begge af dem.
Eksempel med Newtons Universal Gravitation Law
Hvad er tiltrækningskraften mellem en komet på 8.000 kg, der er 70.000 m væk fra en komet på 200 kg?
begynde {justeret} F_ {grav} & = 6,674 × 10 ^ {- 11} frac {m ^ 3} {kg ^ 2} ( dfrac {8.000 kg × 200 kg} {70.000 ^ 2}) & = 2,18 × 10 ^ {- 14} ende {justeret}Albert Einsteins teori om generel relativitet
Newton udførte forbløffende arbejde med at forudsige genstands bevægelse og kvantificere tyngdekraften i 1600'erne. Men cirka 300 år senere udfordrede en anden stor sind - Albert Einstein - denne tankegang med en ny måde og mere præcis måde at forstå tyngdekraften på.
Ifølge Einstein er tyngdekraften en forvrængning af rumtid, stoffet i selve universet. Massevarvrum, som en bowlingkugle skaber et indrykk på en laken, og mere massive genstande som stjerner eller sorte huller fordrever plads med effekter, der let observeres i et teleskop - bøjning af lys eller en ændring i bevægelse af genstande tæt på disse masser .
Einsteins teori om generel relativitet berømte sig berømt ved at forklare, hvorfor Merkur, den lille planet tættest på solen i vores solsystem, har en bane med en målbar forskel fra, hvad der er forudsagt af Newtons Laws.
Mens generel relativitet er mere nøjagtig med hensyn til at forklare tyngdekraften end Newtons Laws, er forskellen i beregninger, der bruger en af disse, for det meste kun bemærket på "relativistiske" skalaer - når man ser på ekstremt massive genstande i kosmos eller nær hastighedsniveau. Derfor er Newtons-love fortsat nyttige og relevante i dag til at beskrive mange situationer i den virkelige verden, som det gennemsnitlige menneske sandsynligvis vil støde på.
Tyngdekraften er vigtig
Den "universelle" del af Newtons Universal Law of Gravitation er ikke hyperbolisk. Denne lov gælder for alt i universet med en masse! Alle to partikler tiltrækker hinanden, ligesom alle to galakser. Selvfølgelig på tilstrækkelige store afstande bliver tiltrækningen så lille, at den faktisk er nul.
I betragtning af hvor vigtig tyngdekraft det er at beskrive hvordan al materie interagerer, de fælles engelske definitioner af tyngdekraft (ifølge Oxford: "ekstrem eller alarmerende betydning; alvor") eller tyngde ("værdighed, seriøsitet eller højtidelig måde") får yderligere betydning. Når det er sagt, når nogen refererer til "alvorligheden af en situation", kan en fysiker muligvis stadig have brug for afklaring: Mener de med hensyn til stor G eller lille g?