Contenuto
- Forza di gravità
- Accelerazione dovuta alla forza di gravità
- Esempio con gravità
- Newton Legge universale di gravitazione
- Esempio con la Legge universale di gravitazione di Newton
- Teoria della relatività generale di Albert Einsteins
- La gravità è importante
Uno studente di fisica potrebbe incontrare la gravità in fisica in due modi diversi: come l'accelerazione dovuta alla gravità sulla Terra o altri corpi celesti o come la forza di attrazione tra due oggetti qualsiasi nell'universo. In effetti la gravità è una delle forze più fondamentali in natura.
Sir Isaac Newton ha sviluppato delle leggi per descrivere entrambi. Newton Second Law (Fnetto = ma) si applica a qualsiasi forza netta che agisce su un oggetto, inclusa la forza di gravità sperimentata nel locale di qualsiasi grande corpo, come un pianeta. La legge di Newton della gravitazione universale, una legge quadrata inversa, spiega l'attrazione o l'attrazione gravitazionale tra due oggetti qualsiasi.
Forza di gravità
La forza gravitazionale sperimentata da un oggetto all'interno di un campo gravitazionale è sempre diretta verso il centro della massa che sta generando il campo, come il centro della Terra. In assenza di altre forze, può essere descritto usando la relazione newtoniana Fnetto = ma, dove Fnetto è la forza di gravità in Newton (N), m è la massa in chilogrammi (kg) e un' è l'accelerazione dovuta alla gravità in m / s2.
Qualsiasi oggetto all'interno di un campo gravitazionale, come tutte le rocce su Marte, sperimenta lo stesso accelerazione verso il centro del campo agendo sulle loro masse. Pertanto, l'unico fattore che cambia la forza di gravità percepita da diversi oggetti sullo stesso pianeta è la loro massa: maggiore è la massa, maggiore è la forza di gravità e viceversa.
La forza di gravità è il suo peso in fisica, sebbene il peso colloquiale sia spesso usato in modo diverso.
Accelerazione dovuta alla forza di gravità
Newton Second Law, Fnetto = ma, mostra che a forza netta fa accelerare una massa. Se la forza netta proviene dalla gravità, questa accelerazione è chiamata accelerazione dovuta alla gravità; per oggetti vicino a corpi grandi come pianeti questa accelerazione è approssimativamente costante, il che significa che tutti gli oggetti cadono con la stessa accelerazione.
Vicino alla superficie terrestre, questa costante ha una sua variabile speciale: g. "Piccola g", come g viene spesso chiamato, ha sempre un valore costante di 9,8 m / s2. (La frase "piccola g" distingue questa costante da un'altra importante costante gravitazionale, sol, o "grande G", che si applica alla Legge Universale di Gravitazione.) Qualsiasi oggetto lasciato cadere vicino alla superficie della Terra cadrà verso il centro della Terra a un ritmo sempre crescente, ogni secondo andando a 9,8 m / s più velocemente di il secondo prima.
Sulla Terra, la forza di gravità su un oggetto di massa m è:
Fgrav = mg
Esempio con gravità
Gli astronauti raggiungono un pianeta distante e scoprono che impiega otto volte più forza per sollevare oggetti lì che sulla Terra. Qual è l'accelerazione dovuta alla gravità su questo pianeta?
Su questo pianeta la forza di gravità è otto volte più grande. Poiché le masse di oggetti sono una proprietà fondamentale di quegli oggetti, non possono cambiare, questo significa il valore di g deve essere anche otto volte più grande:
8Fgrav = m (8g)
Il valore di g sulla Terra è di 9,8 m / s2, quindi 8 × 9,8 m / s2 = 78,4 m / s2.
Newton Legge universale di gravitazione
La seconda delle leggi di Newton che si applicano alla comprensione della gravità in fisica è risultata da Newton che confonde le scoperte di altri fisici. Stava cercando di spiegare perché i pianeti dei sistemi solari hanno orbite ellittiche piuttosto che orbite circolari, come osservato e descritto matematicamente da Johannes Kepler nella sua serie di leggi omonime.
Newton decise che le attrazioni gravitazionali tra i pianeti mentre si avvicinavano e allontanavano l'uno dall'altro stavano giocando nel movimento dei pianeti. Questi pianeti erano in effetti in caduta libera. Ha quantificato questa attrazione nella sua Legge universale di gravitazione:
F_ {grav} = G frac {m_1m_2} {r ^ 2}Dove Fgrav di nuovo è la forza di gravità in Newton (N), _m1 e m2 sono le masse del primo e del secondo oggetto, rispettivamente, in chilogrammi (kg) (ad esempio, la massa della Terra e la massa dell'oggetto vicino alla Terra), e d2 è il quadrato della distanza tra loro in metri (m).
La variabile sol, chiamata "grande G", è la costante gravitazionale universale. esso ha lo stesso valore ovunque nell'universo. Newton non scoprì il valore di G (Henry Cavendish lo trovò sperimentalmente dopo la morte di Newton), ma trovò la proporzionalità della forza rispetto alla massa e alla distanza senza di essa.
L'equazione mostra due relazioni importanti:
La teoria di Newton è anche conosciuta come legge quadrata inversa a causa del secondo punto sopra. Spiega perché l'attrazione gravitazionale tra due oggetti diminuisce rapidamente quando si separano, molto più rapidamente rispetto a quando si modifica la massa di uno o entrambi.
Esempio con la Legge universale di gravitazione di Newton
Qual è la forza di attrazione tra una cometa di 8.000 kg a 70.000 m di distanza da una cometa di 200 kg?
begin {allineato} F_ {grav} & = 6.674 × 10 ^ {- 11} frac {m ^ 3} {kgs ^ 2} ( dfrac {8.000 kg × 200 kg} {70.000 ^ 2}) & = 2.18 × 10 ^ {- 14} end {allineato}Teoria della relatività generale di Albert Einsteins
Newton fece un lavoro straordinario nel predire il movimento degli oggetti e quantificare la forza di gravità nel 1600. Ma circa 300 anni dopo, un'altra grande mente - Albert Einstein - sfidò questo pensiero con un nuovo modo e un modo più accurato di comprendere la gravità.
Secondo Einstein, la gravità è una distorsione di spazio tempo, il tessuto dell'universo stesso. Lo spazio di ordito di massa, come una palla da bowling, crea un rientro su un lenzuolo e oggetti più massicci come stelle o buchi neri deformano lo spazio con effetti facilmente osservabili in un telescopio: la flessione della luce o un cambiamento nel movimento di oggetti vicini a quelle masse .
La teoria della relatività generale di Einsteins si è dimostrata famosa spiegando perché Mercurio, il minuscolo pianeta più vicino al sole nel nostro sistema solare, ha un'orbita con una differenza misurabile da quanto previsto dalle Leggi di Newton.
Mentre la relatività generale è più accurata nello spiegare la gravità rispetto alle Leggi di Newton, la differenza nei calcoli usando entrambi è evidente per lo più solo su scale "relativistiche" - guardando oggetti estremamente massicci nel cosmo, o una velocità vicina alla luce. Pertanto le leggi di Newton rimangono utili e rilevanti oggi nel descrivere molte situazioni del mondo reale che è probabile che l'essere umano medio incontri.
La gravità è importante
La parte "universale" della Newton Universal Law of Gravitation non è iperbolica. Questa legge si applica a tutto l'universo con una massa! Ogni due particelle si attraggono a vicenda, così come due galassie. Naturalmente, a distanze sufficientemente grandi, l'attrazione diventa così piccola da essere effettivamente zero.
Dato quanto sia importante la gravità per descrivere come tutta la materia interagisce, le definizioni inglesi colloquiali di gravità (secondo Oxford: "importanza estrema o allarmante; serietà") o gravitas ("dignità, serietà o solennità di comportamento") assumono ulteriore significato. Detto questo, quando qualcuno si riferisce alla "gravità di una situazione" un fisico potrebbe ancora aver bisogno di un chiarimento: significano in termini di grande G o piccola g?