Painovoima (fysiikka): Mikä se on ja miksi se on tärkeää?

Sisältö

• Painovoima
• Kiihtyvyys painovoiman vuoksi
• Esimerkki painovoiman kanssa
• Newtonin painovoimalaki
• Esimerkki Newtonin painovoimalailla
• Albert Einsteins Yleisen suhteellisuusteorian teoria
• Painovoima on tärkeä

Fysiikan opiskelija voi kohdata painovoiman fysiikassa kahdella eri tavalla: kiihtyvyytenä, joka johtuu maan tai muiden taivaankappaleiden painovoimasta, tai vetovoimavoimena minkä tahansa kahden maailmankaikkeuden kohteen välillä. Itse asiassa painovoima on yksi luonnon perustaisimmista voimista.

Sir Isaac Newton kehitti lakeja kuvaamaan molempia. Newtonin toinen laki (F_netto = ma) koskee mitä tahansa esineeseen vaikuttavaa nettovoimaa, mukaan lukien painovoima, jota kokee minkä tahansa suuren ruumiin, kuten planeetan, sijainti. Newtonin universaalin gravitaation laki, käänteinen neliölaki, selittää minkä tahansa kahden esineen välisen painovoiman vetämisen tai vetovoiman.

Painovoima

Painovoima, jonka esine kokee gravitaatiokentässä, on aina suunnattu sitä kenttä synnyttävän massan keskustaan, kuten maan keskustaan. Muiden voimien puuttuessa se voidaan kuvata Newtonin suhteella F_netto = ma, missä F_netto on painovoima newtonissa (N), m on massa kilogrammoina (kg) ja on painovoimasta johtuva kiihtyvyys, m / s².

Kaikki gravitaatiokentän sisällä olevat esineet, kuten kaikki Marsissa olevat kivet, kokevat saman kiihtyvyys kohti kentän keskustaa toimien heidän joukkojensa mukaan. Siksi ainoa tekijä, joka muuttaa saman planeetan eri esineiden tuntemaa painovoimaa, on niiden massa: Mitä enemmän massaa, sitä suurempi painovoima on ja päinvastoin.

Painovoima on sen paino fysiikassa, vaikka kielitaitoisesti painoa käytetään usein eri tavalla.

Kiihtyvyys painovoiman vuoksi

Newtonin toinen laki, F_netto = ma, osoittaa, että a nettovoima aiheuttaa massan kiihtymisen. Jos nettovoima on painovoimasta, tätä kiihtyvyyttä kutsutaan painovoiman aiheuttamasta kiihtyvyydestä; kohteille, jotka sijaitsevat tiettyjen suurten kappaleiden, kuten planeettojen lähellä, tämä kiihtyvyys on suunnilleen vakio, eli kaikki esineet putoavat samalla kiihtyvyydellä.

Maapallon lähellä, tällä vakialla on oma erityinen muuttujansa: g. "Pikku g", kuten g kutsutaan usein, sen vakioarvo on aina 9,8 m / s². (Ilmaus "pieni g" erottaa tämän vakion toisesta tärkeästä painovoimavakiosta, Gtai "iso G", jota sovelletaan yleiseen painovoimalakiin.) Maapallon lähellä lähellä pudonnut esine putoaa kohti Maan keskustaa yhä kasvavalla nopeudella, joka toinen sekunti menee 9,8 m / s nopeammin kuin toinen ennen.

Maapallolla painovoima massakohteeseen m on:

F_grav = mg

Esimerkki painovoiman kanssa

Astronautit saavuttavat kaukaisen planeetan ja löytää, että kohteiden nostaminen siellä vie kahdeksan kertaa enemmän voimaa kuin maan päällä. Mikä on painovoiman aiheuttama kiihtyvyys tällä planeetalla?

Tällä planeetalla painovoima on kahdeksan kertaa suurempi. Koska esineiden massat ovat näiden esineiden perusominaisuus, ne eivät voi muuttua, mikä tarkoittaa g on oltava myös kahdeksan kertaa suurempi:

8F_grav = m (8 g)

Arvo g maan päällä on 9,8 m / s², joten 8 × 9,8 m / s² = 78,4 m / s².

Newtonin painovoimalaki

Toinen Newtonin lakeista, joita sovelletaan fysiikan painovoiman ymmärtämiseen, johtui Newtonin hämmennyksestä toisen fyysikon havaintojen kautta. Hän yritti selittää, miksi aurinkokunnan planeetoilla on elliptisiä kiertoratoja eikä pyöreitä kiertoratoja, kuten Johannes Kepler havaitsi ja matemaattisesti kuvasi samannimisten lakiensa joukossa.

Newton päätti, että planeettojen väliset painovoimakohdat, kun ne saapuivat lähemmäksi ja kauempana toisistaan, pelasivat planeettojen liikkeessä. Nämä planeetat olivat itse asiassa vapaalla pudotuksella. Hän kvantifioi tämän vetovoiman omaan Yleinen painovoimalaki:

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

Missä F_grav _again on painovoima newtonina (N), _m₁ ja m₂ ovat ensimmäisen ja toisen esineen massat, vastaavasti, kilogrammoina (kg) (esimerkiksi maapallon massa ja lähellä maata olevan esineen massa), ja d² on niiden välisen etäisyyden neliö metreinä (m).

Muuttuja G, jota kutsutaan "isoksi G", on yleinen painovoimavakio. Se on sama arvo kaikkialla maailmankaikkeudessa. Newton ei löytänyt G: n arvoa (Henry Cavendish löysi sen kokeellisesti Newtonin kuoleman jälkeen), mutta löysi voiman suhteellisuuden massaan ja etäisyyteen ilman sitä.

Kaava osoittaa kaksi tärkeää suhdetta:

Newtonin teoria tunnetaan myös nimellä käänteinen neliölaki yllä olevan toisen kohdan takia. Se selittää, miksi kahden esineen välinen painovoima vähenee nopeasti, kun ne erottuvat, paljon nopeammin kuin jos jommankumman tai molempien massa muuttuisi.

Esimerkki Newtonin painovoimalailla

Mikä on vetovoima 8000 kg: n komeetan välillä, joka on 70 000 m päässä 200 kg: n komeetasta?

aloita {kohdistettu} F_ {grav} & = 6,664 × 10 ^ {- 11} frac {m ^ 3} {kg ^ 2} ( dfrac {8000 kg × 200 kg} {70 000 ^ 2}) & = 2,18 × 10 ^ {- 14} loppu {kohdistettu}

Albert Einsteins Yleisen suhteellisuusteorian teoria

Newton teki uskomattomia töitä ennustamalla esineiden liikettä ja kvantitatiivisesti painovoiman 1600-luvulla. Mutta suunnilleen 300 vuotta myöhemmin, toinen suuri mieli - Albert Einstein - haastoi tämän ajattelun uudella ja tarkemmalla tavalla ymmärtää painovoimaa.

Einsteinin mukaan painovoima on vääristymää spacetime, itse maailmankaikkeuden kangas. Joukkotilavuus, kuten keilapallo, luo sisennyksen lakanalle ja massiivisemmat esineet, kuten tähdet tai mustat aukot, loimivat tilaa, jonka vaikutukset voidaan helposti havaita kaukoputkessa - valon taivutus tai muutos esineissä, jotka sijaitsevat lähellä näitä massoja .

Einsteinsin yleisen suhteellisuusteorian teoria osoittautui kuuluisasti selittämällä, miksi Mercuryn, pienen planeetan, joka on lähinnä aurinkoa aurinkokuntamme järjestelmässä, kiertorata on mitattavissa erotuksella Newtonin lakien ennustamasta.

Vaikka yleinen suhteellisuusteoria selittää painovoiman tarkemmin kuin Newtonin lait, ero kummassakin käytetyissä laskelmissa on havaittavissa suurimmaksi osaksi vain "relativistisissa" asteikoissa - katsomalla erittäin massiivisia esineitä kosmossa tai melkein valonopeudella. Siksi Newtonin lait ovat edelleen hyödyllisiä ja asiaankuuluvia tänään kuvattaessa monia todellisia tilanteita, joihin tavallinen ihminen todennäköisesti kohtaa.

Painovoima on tärkeä

Newtonin universaalin painovoimalain "universaali" osa ei ole hyperbolinen. Tätä lakia sovelletaan kaikkeen universumiin, jolla on massa! Mikä tahansa kaksi hiukkasta houkuttelee toisiaan, samoin kuin kaikki kaksi galaksia. Tietysti riittävän suurilla etäisyyksillä vetovoima muuttuu niin pieneksi, että se on käytännössä nolla.

Ottaen huomioon kuinka tärkeä painopiste on kuvaamisessa kuinka kaikki aine vuorovaikutuksessa, keskustelu englanniksi painovoima (Oxfordin mukaan: "äärimmäinen tai huolestuttava merkitys; vakavuus") tai gravitas ("ihmisarvo, vakavuus tai juhlallisuus") saavat lisää merkitystä. Toisin sanoen, kun joku viittaa "tilanteen vakavuuteen", fyysikko saattaa silti tarvita selvennystä: tarkoittavatko ne suuressa G vai pienessä g: ssä?