แรงโน้มถ่วง (ฟิสิกส์): มันคืออะไรและทำไมจึงเป็นสิ่งสำคัญ

เนื้อหา

• พลังแห่งแรงโน้มถ่วง
• การเร่งความเร็วเนื่องจากแรงโน้มถ่วง
• ตัวอย่างด้วยแรงดึงดูด
• กฎความโน้มถ่วงสากลของนิวตัน
• ตัวอย่างของกฎความโน้มถ่วงของ Newtons Universal
• ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ Albert Einsteins
• แรงโน้มถ่วงเป็นสิ่งสำคัญ

นักเรียนฟิสิกส์อาจเผชิญกับแรงดึงดูดของฟิสิกส์ในสองวิธี: การเร่งความเร็วเนื่องจากแรงโน้มถ่วงบนโลกหรือวัตถุท้องฟ้าอื่น ๆ หรือเป็นแรงดึงดูดระหว่างวัตถุสองวัตถุใด ๆ ในจักรวาล แรงโน้มถ่วงแน่นอนเป็นหนึ่งในกองกำลังพื้นฐานที่สุดในธรรมชาติ

Sir Isaac Newton พัฒนากฎหมายเพื่ออธิบายทั้งสอง กฎข้อที่สองของนิวตัน (F_{สุทธิ} = ma) ใช้กับแรงสุทธิใด ๆ ที่กระทำกับวัตถุรวมถึงแรงโน้มถ่วงที่เกิดขึ้นในสถานที่ของวัตถุขนาดใหญ่เช่นดาวเคราะห์ กฎของแรงโน้มถ่วงสากลของนิวตัน, กฎกำลังสองผกผัน, อธิบายแรงดึงโน้มถ่วงหรือแรงดึงดูดระหว่างวัตถุสองวัตถุใด ๆ

พลังแห่งแรงโน้มถ่วง

แรงโน้มถ่วงที่เกิดจากวัตถุภายในสนามแรงโน้มถ่วงนั้นจะมุ่งไปยังจุดศูนย์กลางของมวลที่สร้างสนามเช่นศูนย์กลางของโลก ในกรณีที่ไม่มีแรงอื่น ๆ มันสามารถอธิบายได้โดยใช้ความสัมพันธ์ของนิวตัน F_{สุทธิ} = maที่ไหน F_{สุทธิ} คือพลังแห่งแรงโน้มถ่วงในนิวตัน (N) ม. คือมวลในหน่วยกิโลกรัม (กิโลกรัม) และ คือความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงเป็น m / s².

วัตถุใด ๆ ที่อยู่ในสนามโน้มถ่วงเช่นหินทั้งหมดบนดาวอังคารจะได้รับประสบการณ์เดียวกัน เร่งเข้าหาศูนย์กลางของสนาม ทำหน้าที่ในฝูงของพวกเขา ดังนั้นปัจจัยเดียวที่เปลี่ยนแรงดึงดูดของแรงโน้มถ่วงที่เกิดจากวัตถุต่าง ๆ บนโลกใบเดียวกันก็คือมวลของมัน: ยิ่งมีมวลมากเท่าไหร่ก็จะยิ่งมีแรงโน้มถ่วงมากขึ้นเท่านั้น

พลังแห่งแรงโน้มถ่วง คือ น้ำหนักของมันในฟิสิกส์แม้ว่าน้ำหนักที่เรียกขานมักจะใช้แตกต่างกัน

การเร่งความเร็วเนื่องจากแรงโน้มถ่วง

กฎข้อที่สองของนิวตัน F_{สุทธิ} = maแสดงให้เห็นว่า แรงสุทธิ ทำให้มวลเร่ง ถ้าแรงสุทธิเกิดจากแรงโน้มถ่วงการเร่งความเร็วนี้เรียกว่าการเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วง สำหรับวัตถุที่อยู่ใกล้วัตถุขนาดใหญ่เช่นดาวเคราะห์ความเร่งนี้มีค่าคงที่โดยประมาณหมายความว่าวัตถุทั้งหมดตกด้วยการเร่งความเร็วเดียวกัน

ใกล้พื้นผิวโลกค่าคงที่นี้จะได้รับตัวแปรพิเศษของตัวเอง: ก.. "Little g" ในฐานะ ก. มักจะถูกเรียกว่ามักจะมีค่าคงที่ 9.8 m / s². (วลี "little g" ทำให้ค่าคงที่นี้แตกต่างจากค่าความโน้มถ่วงสำคัญอื่น Gหรือ "big G" ซึ่งใช้กับกฎสากลของความโน้มถ่วง) วัตถุใด ๆ ที่หล่นใกล้ผิวน้ำของโลกจะตกลงสู่ใจกลางโลกในอัตราที่เพิ่มมากขึ้นทุกวินาทีจะเร็วกว่า 9.8 เมตร / วินาที ที่สองก่อน

บนโลกพลังแห่งแรงโน้มถ่วงกับวัตถุมวล ม. คือ:

F_grav = mg

ตัวอย่างด้วยแรงดึงดูด

นักบินอวกาศไปถึงดาวเคราะห์ที่อยู่ไกลออกไปและพบว่ามันต้องใช้กำลังมากถึงแปดเท่าในการยกของที่มีอยู่บนโลก ความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงบนโลกนี้คืออะไร?

บนโลกใบนี้แรงโน้มถ่วงใหญ่กว่าแปดเท่า เนื่องจากมวลของวัตถุเป็นสมบัติพื้นฐานของวัตถุเหล่านั้นจึงไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้นั่นหมายถึงมูลค่าของ ก. จะต้องมีขนาดใหญ่ขึ้นแปดเท่าเช่นกัน:

8F_grav = m (8g)

คุณค่าของ ก. บนโลกคือ 9.8 m / s²ดังนั้น 8 × 9.8 m / s² = 78.4 m / s².

กฎความโน้มถ่วงสากลของนิวตัน

กฎข้อที่สองของนิวตันที่ใช้กับการเข้าใจแรงโน้มถ่วงในฟิสิกส์เป็นผลมาจากนิวตันทำให้งงผ่านการค้นพบของนักฟิสิกส์อีกคน เขาพยายามอธิบายว่าทำไมดาวเคราะห์ระบบสุริยะจึงมีวงโคจรเป็นวงรีแทนที่จะเป็นวงกลมตามที่สังเกตและอธิบายทางคณิตศาสตร์โดยโยฮันเนสเคปเลอร์ในชุดของกฎหมายที่มีบาร์นี้

นิวตันระบุว่าแรงดึงดูดของแรงดึงดูดระหว่างดาวเคราะห์ขณะที่พวกเขาเข้าใกล้และไกลจากกันมากขึ้นกำลังเล่นกับการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ ดาวเคราะห์เหล่านี้มีอยู่จริงในฤดูใบไม้ร่วงฟรี เขาวัดสิ่งที่ดึงดูดนี้ในของเขา กฎสากลของความโน้มถ่วง:

F_ {} = grav G frac {m_1m_2} {r ^ 2}

ที่ไหน F_grav _again คือแรงโน้มถ่วงในนิวตัน (N), _m₁ และ ม.₂ คือมวลของวัตถุที่หนึ่งและที่สองตามลำดับในหน่วยกิโลกรัม (กิโลกรัม) (ตัวอย่างเช่นมวลของโลกและมวลของวัตถุใกล้โลก) และ d² คือกำลังสองของระยะห่างระหว่างพวกเขาเป็นเมตร (m)

ตัวแปร Gเรียกว่า "big G" คือค่าคงตัวโน้มถ่วงสากล มัน มีค่าเท่ากันทุกที่ในจักรวาล. นิวตันไม่ได้ค้นพบคุณค่าของ G (Henry Cavendish พบว่าเป็นการทดลองหลังจากการตายของนิวตัน) แต่เขาก็พบสัดส่วนของแรงต่อมวลและระยะทางที่ไม่มีมัน

สมการแสดงความสัมพันธ์ที่สำคัญสองประการ:

ทฤษฎีของนิวตันยังเป็นที่รู้จักกันในนาม กฎหมายกำลังสองผกผัน เนื่องจากจุดที่สองด้านบน มันอธิบายว่าทำไมแรงดึงดูดของแรงดึงดูดระหว่างวัตถุสองชิ้นลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อแยกกันเร็วกว่ามากหากเปลี่ยนมวลของวัตถุใดวัตถุหนึ่งหรือทั้งสองอย่าง

ตัวอย่างของกฎความโน้มถ่วงของ Newtons Universal

แรงดึงดูดระหว่างดาวหาง 8,000 กิโลกรัมที่อยู่ห่างจากดาวหาง 200,000 70,000 เมตรเป็นเท่าไร

start {aligned} F_ {grav} & = 6.674 × 10 ^ {- 11} frac {m ^ 3} {kgs ^ 2} ( dfrac {8,000 กิโลกรัม× 200 กิโลกรัม} {70,000 ^ 2}) & = 2.18 × 10 ^ {- 14} end {จัดชิด}

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ Albert Einsteins

นิวตันได้ทำงานที่ยอดเยี่ยมในการทำนายการเคลื่อนที่ของวัตถุและวัดแรงโน้มถ่วงในยุค 1600 แต่ประมาณ 300 ปีต่อมาอัลเบิร์ตไอน์สไตน์อีกคนหนึ่งที่ยิ่งใหญ่ใจท้าทายการคิดนี้ด้วยวิธีการใหม่และวิธีการเข้าใจแรงโน้มถ่วงที่แม่นยำยิ่งขึ้น

อ้างอิงจากไอน์สไตน์แรงโน้มถ่วงเป็นการบิดเบือน กาลอวกาศผ้าแห่งจักรวาลนั่นเอง พื้นที่วาร์ปขนาดใหญ่เช่นลูกโบว์ลิ่งสร้างรอยเว้าบนผ้าปูที่นอนและวัตถุขนาดใหญ่เช่นดาวหรือหลุมดำวาร์ปพื้นที่ที่มีเอฟเฟกต์ที่สังเกตได้ง่ายในกล้องโทรทรรศน์ - การโค้งงอของแสงหรือการเคลื่อนที่ของวัตถุใกล้กับมวลเหล่านั้น .

ทฤษฎีไอน์สไตน์ของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปพิสูจน์ตัวเองอย่างมีชื่อเสียงโดยอธิบายว่าทำไมดาวพุธซึ่งเป็นดาวเคราะห์เล็ก ๆ ที่อยู่ใกล้ดวงอาทิตย์มากที่สุดในระบบสุริยะของเรามีวงโคจรที่มีความแตกต่างที่วัดได้จากกฎของนิวตัน

ในขณะที่ทฤษฏีสัมพัทธภาพทั่วไปมีความแม่นยำในการอธิบายแรงโน้มถ่วงมากกว่ากฎของนิวตันความแตกต่างในการคำนวณโดยใช้อย่างใดอย่างหนึ่งที่เห็นได้ชัดเจนส่วนใหญ่เฉพาะในเครื่องชั่ง "สัมพัทธภาพ" - มองวัตถุขนาดใหญ่มากในจักรวาลหรือความเร็วแสงใกล้ ดังนั้นกฎของนิวตันจึงยังคงมีประโยชน์และมีความเกี่ยวข้องในทุกวันนี้ในการอธิบายสถานการณ์ในโลกแห่งความเป็นจริงที่มนุษย์โดยเฉลี่ยน่าจะเผชิญ

แรงโน้มถ่วงเป็นสิ่งสำคัญ

ส่วน "สากล" ของกฎความโน้มถ่วงสากลของนิวตันไม่ใช่การผ่อนชำระ กฎหมายนี้มีผลบังคับใช้กับทุกสิ่งในจักรวาลด้วยมวลชน! อนุภาคสองอันใดก็ตามที่ดึงดูดกันเช่นเดียวกับกาแลคซีสองแห่ง แน่นอนว่าในระยะทางที่ไกลพอสมควรสถานที่น่าสนใจจะกลายเป็นศูนย์ที่มีประสิทธิภาพ

ระบุว่าแรงโน้มถ่วงที่สำคัญคือการอธิบาย ทุกสิ่งมีปฏิสัมพันธ์กันคำจำกัดความภาษาอังกฤษของ แรงดึงดูด (อ้างอิงจาก Oxford: "ความสำคัญอย่างยิ่งหรือน่ากลัว gravitas ("ศักดิ์ศรีความจริงจังหรือความเคร่งขรึม") ใช้ความสำคัญเพิ่มเติม ที่กล่าวว่าเมื่อมีคนอ้างถึง "แรงโน้มถ่วงของสถานการณ์" นักฟิสิกส์อาจยังต้องชี้แจง: พวกเขาหมายถึงในแง่ของ G ใหญ่หรือน้อยกรัม?