Σοβαρότητα (Φυσική): Τι είναι αυτό και γιατί είναι σημαντικό;

Περιεχόμενο

• Δύναμη βαρύτητας
• Επιτάχυνση λόγω βαρύτητας
• Παράδειγμα Με τη Βαρύτητα
• Newton Universal Νόμος της Βαρύτητας
• Παράδειγμα με το νόμο Universal Newton της βαρύτητας
• Albert Einsteins Θεωρία Γενικής Σχετικότητας
• Η βαρύτητα είναι σημαντική

Ένας φοιτητής φυσικής μπορεί να αντιμετωπίσει τη φυσική βαρύτητα με δύο διαφορετικούς τρόπους: όπως η επιτάχυνση που οφείλεται στη βαρύτητα στη Γη ή σε άλλα ουράνια σώματα, ή ως η δύναμη έλξης μεταξύ οποιωνδήποτε δύο αντικειμένων στο σύμπαν. Πράγματι, η βαρύτητα είναι μια από τις πιο θεμελιώδεις δυνάμεις στη φύση.

Ο Sir Isaac Newton ανέπτυξε νόμους για να περιγράψει και τα δύο. Newtons Second Law (φά_καθαρά = ma) εφαρμόζεται σε κάθε καθαρή δύναμη που ενεργεί πάνω σε ένα αντικείμενο, συμπεριλαμβανομένης της βαρύτητας που βιώνεται στο τοπίο οποιουδήποτε μεγάλου σώματος, όπως ένας πλανήτης. Ο Νόμος Newton της Universal Gravitation, ένας αντίστροφος τετραγωνικός νόμος, εξηγεί την βαρυτική έλξη ή την έλξη μεταξύ οποιωνδήποτε δύο αντικειμένων.

Δύναμη βαρύτητας

Η βαρυτική δύναμη που βιώνεται από ένα αντικείμενο εντός ενός βαρυτικού πεδίου κατευθύνεται πάντοτε προς το κέντρο της μάζας που παράγει το πεδίο, όπως το κέντρο της Γης. Ελλείψει άλλων δυνάμεων, μπορεί να περιγραφεί χρησιμοποιώντας τη σχέση Newtonian φά_καθαρά = ma, που φά_καθαρά είναι η δύναμη της βαρύτητας στο Newton (N), Μ είναι η μάζα σε χιλιόγραμμα (kg) και ένα είναι η επιτάχυνση λόγω βαρύτητας σε m / s².

Οποιαδήποτε αντικείμενα μέσα σε ένα βαρυτικό πεδίο, όπως όλοι οι βράχοι στον Άρη, βιώνουν το ίδιο επιτάχυνση προς το κέντρο του πεδίου ενεργώντας στις μάζες τους. Έτσι, ο μόνος παράγοντας που αλλάζει τη δύναμη της βαρύτητας που αισθάνεται από διαφορετικά αντικείμενα στον ίδιο πλανήτη είναι η μάζα τους: Όσο περισσότερη μάζα τόσο μεγαλύτερη είναι η δύναμη της βαρύτητας και αντίστροφα.

Η δύναμη της βαρύτητας είναι το βάρος της στη φυσική, αν και το συνηθισμένο βάρος χρησιμοποιείται συχνά διαφορετικά.

Επιτάχυνση λόγω βαρύτητας

Newtons Second Law, φά_καθαρά = ma, δείχνει ότι α καθαρή δύναμη προκαλεί μια επιτάχυνση της μάζας. Εάν η καθαρή δύναμη είναι από τη βαρύτητα, αυτή η επιτάχυνση ονομάζεται επιτάχυνση λόγω της βαρύτητας. για αντικείμενα κοντά σε συγκεκριμένα μεγάλα σώματα όπως οι πλανήτες, αυτή η επιτάχυνση είναι περίπου σταθερή, πράγμα που σημαίνει ότι όλα τα αντικείμενα πέφτουν με την ίδια επιτάχυνση.

Κοντά στην επιφάνεια της Γης, αυτή η σταθερά δίνεται στη δική της ειδική μεταβλητή: σολ. "Μικρή g", ως σολ ονομάζεται συχνά, έχει πάντα σταθερή τιμή 9,8 m / s². (Η φράση "λίγο g" διακρίνει αυτή τη σταθερά από μια άλλη σημαντική σταθερά βαρύτητας, σολ, ή το "μεγάλο G", το οποίο ισχύει για το γενικό νόμο της βαρύτητας.) Κάθε αντικείμενο που πέφτει κοντά στην επιφάνεια της Γης θα πέσει προς το κέντρο της Γης με έναν συνεχώς αυξανόμενο ρυθμό, κάθε δευτερόλεπτο να φτάνει τα 9,8 m / το δεύτερο πριν.

Στη Γη, η δύναμη της βαρύτητας σε ένα αντικείμενο μάζας Μ είναι:

φά_σοβαρή = mg

Παράδειγμα Με τη Βαρύτητα

Οι αστροναύτες φτάνουν σε έναν μακρινό πλανήτη και βρίσκουν ότι χρειάζονται οκτώ φορές περισσότερη δύναμη για να ανυψώσουν τα αντικείμενα εκεί από ό, τι συμβαίνει στη Γη. Ποια είναι η επιτάχυνση λόγω της βαρύτητας σε αυτόν τον πλανήτη;

Σε αυτόν τον πλανήτη η δύναμη της βαρύτητας είναι οκτώ φορές μεγαλύτερη. Δεδομένου ότι οι μάζες αντικειμένων αποτελούν θεμελιώδη ιδιότητα των αντικειμένων αυτών, δεν μπορούν να αλλάξουν, δηλαδή την αξία του σολ πρέπει να είναι οκτώ φορές μεγαλύτερο:

8F_σοβαρή = m (8 g)

Η αξία του σολ στη Γη είναι 9,8 m / s², δηλαδή 8 × 9,8 m / s² = 78,4 m / s².

Newton Universal Νόμος της Βαρύτητας

Ο δεύτερος από τους νόμους του Newton που ισχύουν για την κατανόηση της βαρύτητας στη φυσική προέκυψε από τον Νεύτωνα που διαψεύδεται μέσω άλλων ευρημάτων φυσικών. Προσπαθούσε να εξηγήσει γιατί οι πλανήτες των ηλιακών συστημάτων έχουν ελλειπτικές τροχιές και όχι κυκλικές τροχιές, όπως παρατηρήθηκε και μαθηματικά περιγράφεται από τον Johannes Kepler στη σειρά των επίμονων νόμων του.

Ο Νεύτωνας κατέληξε στο συμπέρασμα ότι τα βαρυτικά αξιοθέατα μεταξύ των πλανητών που πλησιάζουν και απέχουν μεταξύ τους παίζουν στην κίνηση των πλανητών. Αυτοί οι πλανήτες βρίσκονταν στην ελεύθερη πτώση. Έχει ποσοτικοποιήσει αυτή την έλξη στο δικό του Ο καθολικός νόμος της βαρύτητας:

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

Που φά_σοβαρή _again είναι η δύναμη της βαρύτητας στο Newton (N), _m₁ και Μ₂ είναι οι μάζες του πρώτου και του δεύτερου αντικειμένου, αντίστοιχα, σε χιλιόγραμμα (kg) (για παράδειγμα, η μάζα της Γης και η μάζα του αντικειμένου κοντά στη Γη), και ρε² είναι το τετράγωνο της απόστασης μεταξύ τους σε μέτρα (m).

Η μεταβλητή σολ, που ονομάζεται "μεγάλο G", είναι η γενική σταθερά βαρύτητας. Το έχει την ίδια αξία παντού στο σύμπαν. Ο Newton δεν ανακάλυψε την αξία του G (ο Henry Cavendish το βρήκε πειραματικά μετά το θάνατο του Newton), αλλά βρήκε την αναλογικότητα της δύναμης στη μάζα και την απόσταση χωρίς αυτό.

Η εξίσωση δείχνει δύο σημαντικές σχέσεις:

Η θεωρία Newton είναι επίσης γνωστή ως μια αντιστρόφως τετράγωνο νόμο λόγω του δεύτερου σημείου παραπάνω. Εξηγεί γιατί η βαρυτική έλξη μεταξύ δύο αντικειμένων πέφτει γρήγορα καθώς διαχωρίζονται, πολύ πιο γρήγορα από ό, τι αν αλλάξει η μάζα ενός ή και των δύο.

Παράδειγμα με το νόμο Universal Newton της βαρύτητας

Ποια είναι η δύναμη έλξης μεταξύ ενός κομήτη 8000 κιλών που απέχει 70.000 μ. Από έναν κομήτη 200 κιλών;

begin {ευθυγραμμισμένο} F_ {grav} & = 6.674 × 10 ^ {- 11} frac {m ^ 3} {kgs ^ 2} = 2.18 × 10 ^ {- 14} end {ευθυγραμμισμένο}

Albert Einsteins Θεωρία Γενικής Σχετικότητας

Ο Νεύτωνας έκανε εκπληκτική εργασία προβλέποντας την κίνηση αντικειμένων και ποσοτικοποιώντας τη δύναμη της βαρύτητας το 1600. Αλλά περίπου 300 χρόνια αργότερα, ένα άλλο μεγάλο μυαλό - Albert Einstein - αμφισβήτησε αυτή τη σκέψη με έναν νέο τρόπο και πιο ακριβή τρόπο κατανόησης της βαρύτητας.

Σύμφωνα με τον Αϊνστάιν, η βαρύτητα είναι παραμόρφωση spacetime, το ύφασμα του ίδιου του σύμπαντος. Ο μαζικός στρογγυλός χώρος, όπως μια μπάλα μπόουλινγκ, δημιουργεί μια παγίδα σε ένα φύλλο στρώματος και πιο μαζικά αντικείμενα όπως αστέρια ή μαύρες τρύπες στηρίζουν το διάστημα με αποτελέσματα που παρατηρούνται εύκολα σε ένα τηλεσκόπιο - η κάμψη του φωτός ή μια αλλαγή στην κίνηση αντικειμένων κοντά σε αυτές τις μάζες .

Η θεωρία της γενικής σχετικότητας Einsteins αποδεικνύεται φημισμένα εξηγώντας γιατί ο υδράργυρος, ο μικροσκοπικός πλανήτης που βρίσκεται πιο κοντά στον ήλιο στο ηλιακό μας σύστημα, έχει μια τροχιά με μια μετρήσιμη διαφορά από αυτό που προβλέπεται από τους Newton Laws.

Ενώ η γενική σχετικότητα είναι ακριβέστερη στην εξήγηση της βαρύτητας από τους Newton Laws, η διαφορά στους υπολογισμούς χρησιμοποιώντας είτε είναι αισθητή ως επί το πλείστον μόνο στις "σχετικιστικές" κλίμακες - εξετάζοντας εξαιρετικά τεράστια αντικείμενα στον κόσμο ή ταχύτητες κοντά στο φως. Επομένως, οι Newton Laws εξακολουθούν να είναι χρήσιμοι και σχετικοί σήμερα στην περιγραφή πολλών πραγματικών καταστάσεων που ο μέσος άνθρωπος είναι πιθανό να συναντήσει.

Η βαρύτητα είναι σημαντική

Το «καθολικό» μέρος του Newton Universal Law of Gravitation δεν είναι υπερβολικό. Αυτός ο νόμος ισχύει για όλα στο σύμπαν με μάζα! Οποιοδήποτε δύο σωματίδια έλκουν το ένα το άλλο, όπως και οι δυο γαλαξίες. Φυσικά, σε αρκετά μεγάλες αποστάσεις, η έλξη γίνεται τόσο μικρή ώστε να είναι ουσιαστικά μηδενική.

Δεδομένης της σημασίας που έχει η περιγραφή της βαρύτητας πώς αλληλεπιδρά όλη η ύλη, τους λεγόμενους αγγλικούς ορισμούς του βαρύτητα (σύμφωνα με την Οξφόρδη: "ακραία ή ανησυχητική σημασία, σοβαρότητα") ή gravitas ("αξιοπρέπεια, σοβαρότητα ή σοβαρότητα του τρόπου") αποκτούν επιπλέον σημασία. Τούτου λεχθέντος, όταν κάποιος αναφέρεται στη «βαρύτητα μιας κατάστασης» ένας φυσικός μπορεί να χρειαστεί ακόμα διευκρίνιση: Εννοούν από την άποψη του μεγάλου G ή του μικρού g;