Inhoud
- Zwaartekracht
- Versnelling door de zwaartekracht
- Voorbeeld met zwaartekracht
- Newton Universal Law of Gravitation
- Voorbeeld met Newton Universal Gravitation Law
- Albert Einsteins Algemene relativiteitstheorie
- Zwaartekracht is belangrijk
Een natuurkundestudent kan zwaartekracht in de natuurkunde op twee verschillende manieren tegenkomen: als versnelling door zwaartekracht op aarde of andere hemellichamen, of als de aantrekkingskracht tussen twee objecten in het universum. De zwaartekracht is inderdaad een van de meest fundamentele krachten in de natuur.
Sir Isaac Newton ontwikkelde wetten om beide te beschrijven. Newtons tweede wet (Fnetto = ma) is van toepassing op elke netto kracht die op een object inwerkt, inclusief de zwaartekracht die wordt ervaren in de locatie van een groot lichaam, zoals een planeet. Newton wet van universele zwaartekracht, een omgekeerde vierkante wet, verklaart de zwaartekracht of aantrekking tussen twee objecten.
Zwaartekracht
De zwaartekracht ervaren door een object in een zwaartekrachtsveld is altijd gericht op het centrum van de massa die het veld genereert, zoals het centrum van de aarde. Bij afwezigheid van andere krachten kan het worden beschreven met behulp van de Newtoniaanse relatie Fnetto = mawaar Fnetto is de zwaartekracht in Newton (N), m is massa in kilogram (kg) en een is versnelling door zwaartekracht in m / s2.
Alle objecten in een zwaartekrachtveld, zoals alle rotsen op Mars, ervaren hetzelfde versnelling naar het midden van het veld handelend op hun massa. Dus de enige factor die de zwaartekracht verandert die verschillende objecten op dezelfde planeet voelen, is hun massa: hoe meer massa, hoe groter de zwaartekracht en vice versa.
De zwaartekracht is zijn gewicht in de natuurkunde, hoewel informeel gewicht vaak anders wordt gebruikt.
Versnelling door de zwaartekracht
Newtons tweede wet, Fnetto = ma, laat zien dat een netto kracht veroorzaakt een massa om te versnellen. Als de netto kracht afkomstig is van de zwaartekracht, wordt deze versnelling versnelling genoemd vanwege de zwaartekracht; voor objecten in de buurt van bepaalde grote lichamen zoals planeten is deze versnelling ongeveer constant, wat betekent dat alle objecten met dezelfde versnelling vallen.
Dichtbij het aardoppervlak krijgt deze constante zijn eigen speciale variabele: g. "Little g," zoals g wordt vaak genoemd, heeft altijd een constante waarde van 9,8 m / s2. (De uitdrukking "kleine g" onderscheidt deze constante van een andere belangrijke zwaartekrachtconstante, G, of "grote G", die van toepassing is op de universele wet van de zwaartekracht.) Elk voorwerp dat in de buurt van het aardoppervlak valt, zal met een steeds toenemende snelheid naar het centrum van de aarde vallen, waarbij elke seconde 9,8 m / s sneller gaat dan de tweede ervoor.
Op aarde, de zwaartekracht op een massa-object m is:
Fgrav = mg
Voorbeeld met zwaartekracht
Astronauten bereiken een verre planeet en vinden dat het acht keer zoveel kracht kost om objecten daar te tillen dan op aarde. Wat is de versnelling door zwaartekracht op deze planeet?
Op deze planeet is de zwaartekracht acht keer groter. Omdat de massa van objecten een fundamentele eigenschap van die objecten is, kunnen ze niet veranderen, dat betekent de waarde van g moet ook acht keer groter zijn:
8Fgrav = m (8 g)
De waarde van g op aarde is 9,8 m / s2, dus 8 × 9,8 m / s2 = 78,4 m / s2.
Newton Universal Law of Gravitation
De tweede van de wetten van Newton die van toepassing zijn op het begrijpen van de zwaartekracht in de fysica, is het resultaat van Newton puzzelen door bevindingen van andere fysici. Hij probeerde uit te leggen waarom de planeten van het zonnestelsel elliptische banen hebben in plaats van cirkelvormige banen, zoals waargenomen en wiskundig beschreven door Johannes Kepler in zijn gelijknamige wetten.
Newton stelde vast dat de zwaartekrachten tussen de planeten naarmate ze dichterbij en verder van elkaar kwamen in de beweging van de planeten speelden. Deze planeten bevonden zich in feite in een vrije val. Hij kwantificeerde deze attractie in de zijne Universele wet van zwaartekracht:
F_ {grav} = G frac {m_1m_2} {r ^ 2}Waar Fgrav _nieuw is de zwaartekracht in Newton (N), _m1 en m2 zijn de massa's van het eerste en tweede object respectievelijk in kilogram (kg) (bijvoorbeeld de massa van de aarde en de massa van het object in de buurt van de aarde), en d2 is het kwadraat van de afstand tussen hen in meters (m).
De variabele G, "grote G" genoemd, is de universele zwaartekrachtconstante. Het heeft overal in het universum dezelfde waarde. Newton ontdekte de waarde van G niet (Henry Cavendish vond het experimenteel na de dood van Newton), maar hij vond de evenredigheid tussen kracht en massa zonder afstand.
De vergelijking toont twee belangrijke relaties:
Newton theorie is ook bekend als een omgekeerde kwadratenwet vanwege het tweede punt hierboven. Het verklaart waarom de zwaartekracht tussen twee objecten snel wegvalt als ze scheiden, veel sneller dan wanneer ze de massa van een of beide veranderen.
Voorbeeld met Newton Universal Gravitation Law
Wat is de aantrekkingskracht tussen een komeet van 8.000 kg die 70.000 m verwijderd is van een komeet van 200 kg?
begin {uitgelijnd} 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 {uitgelijnd}Albert Einsteins Algemene relativiteitstheorie
Newton deed geweldig werk door de beweging van objecten te voorspellen en de zwaartekracht te kwantificeren in de jaren 1600. Maar ongeveer 300 jaar later daagde een andere grote geest - Albert Einstein - dit denken uit met een nieuwe manier en een meer accurate manier om de zwaartekracht te begrijpen.
Volgens Einstein is zwaartekracht een vervorming van ruimte tijd, het weefsel van het universum zelf. Massale warps-ruimte, zoals een bowlingbal, creëert een inspringing op een laken, en meer massieve objecten zoals sterren of zwarte gaten verdraaien ruimte met effecten die gemakkelijk worden waargenomen in een telescoop - het buigen van licht of een verandering in beweging van objecten dicht bij die massa's .
Einsteins theorie van algemene relativiteitstheorie heeft zichzelf bewezen door uit te leggen waarom Mercurius, de kleine planeet die zich het dichtst bij de zon in ons zonnestelsel bevindt, een baan heeft met een meetbaar verschil met wat wordt voorspeld door de wetten van Newton.
Hoewel de algemene relativiteitstheorie nauwkeuriger is in het verklaren van de zwaartekracht dan de wetten van Newton, is het verschil in berekeningen met een van beide grotendeels merkbaar op "relativistische" schalen - kijkend naar extreem massieve objecten in de kosmos, of een bijna-lichtsnelheid. Daarom blijven de wetten van Newton vandaag nuttig en relevant bij het beschrijven van veel situaties uit de praktijk die de gemiddelde mens waarschijnlijk zal tegenkomen.
Zwaartekracht is belangrijk
Het "universele" deel van Newtons Universal Gravitation Law is niet hyperbolisch. Deze wet is van toepassing op alles in het universum met een massa! Twee deeltjes trekken elkaar aan, net als elke twee sterrenstelsels. Natuurlijk wordt de attractie op voldoende grote afstanden zo klein dat deze effectief nul is.
Gegeven hoe belangrijk zwaartekracht is om te beschrijven hoe alle materie op elkaar inwerkt, de informele Engelse definities van zwaartekracht (volgens Oxford: "extreem of alarmerend belang; ernst") of gravitas ("waardigheid, ernst of plechtigheid van wijze") krijgen een extra betekenis. Dat gezegd hebbende, wanneer iemand verwijst naar de 'ernst van een situatie', kan een natuurkundige misschien nog steeds opheldering nodig hebben: bedoelen ze in termen van grote G of kleine g?