Inhalt
- Schwerkraft
- Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft
- Beispiel mit Schwerkraft
- Newtons universelles Gravitationsgesetz
- Beispiel mit Newtons Universalem Gravitationsgesetz
- Albert Einsteins Relativitätstheorie
- Schwerkraft ist wichtig
Ein Physikstudent kann der Schwerkraft in der Physik auf zwei verschiedene Arten begegnen: als Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft auf der Erde oder anderen Himmelskörpern oder als Anziehungskraft zwischen zwei beliebigen Objekten im Universum. In der Tat ist die Schwerkraft eine der grundlegendsten Kräfte in der Natur.
Sir Isaac Newton entwickelte Gesetze, um beide zu beschreiben. Newtons Zweites Gesetz (FNetz = ma) gilt für alle auf ein Objekt einwirkenden Nettokräfte, einschließlich der Schwerkraft, die im Gebietsschema eines großen Körpers, wie z. B. eines Planeten, auftritt. Das Newtonsche Gesetz der universellen Gravitation, ein inverses Quadratgesetz, erklärt die Anziehungskraft oder Anziehungskraft zwischen zwei beliebigen Objekten.
Schwerkraft
Die Gravitationskraft, die ein Objekt in einem Gravitationsfeld erfährt, ist immer auf den Mittelpunkt der Masse gerichtet, die das Feld erzeugt, wie zum Beispiel den Mittelpunkt der Erde. In Abwesenheit anderer Kräfte kann dies mit der Newtonschen Beziehung beschrieben werden FNetz = ma, wo FNetz ist die Schwerkraft in Newton (N), m ist Masse in Kilogramm (kg) und ein ist die Erdbeschleunigung in m / s2.
Alle Objekte in einem Gravitationsfeld, wie z. B. alle Felsen auf dem Mars, erfahren dasselbe Beschleunigung in Richtung Feldmitte auf ihre Massen einwirken. Der einzige Faktor, der die Schwerkraft verändert, die von verschiedenen Objekten auf demselben Planeten empfunden wird, ist ihre Masse: Je mehr Masse, desto größer die Schwerkraft und umgekehrt.
Die Schwerkraft ist sein Gewicht in der Physik, obwohl das umgangssprachliche Gewicht oft anders verwendet wird.
Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft
Newtons zweites Gesetz, FNetz = mazeigt, dass a Nettokraft Beschleunigt eine Masse. Wenn die Nettokraft von der Schwerkraft herrührt, wird diese Beschleunigung als Erdbeschleunigung bezeichnet. Für Objekte in der Nähe von bestimmten großen Körpern wie Planeten ist diese Beschleunigung ungefähr konstant, was bedeutet, dass alle Objekte mit der gleichen Beschleunigung fallen.
Nahe der Erdoberfläche erhält diese Konstante ihre eigene spezielle Variable: G. "Little g", wie G wird oft genannt, hat immer einen konstanten Wert von 9,8 m / s2. (Der Ausdruck "kleines g" unterscheidet diese Konstante von einer anderen wichtigen Gravitationskonstante, G, oder "großes G", das auf das universelle Gravitationsgesetz zutrifft.) Jedes Objekt, das in der Nähe der Erdoberfläche herunterfällt, fällt mit einer Geschwindigkeit von 9,8 m / s pro Sekunde immer schneller auf den Erdmittelpunkt zu als der zweite vor.
Auf der Erde die Schwerkraft auf ein Massenobjekt m ist:
Fgrav = mg
Beispiel mit Schwerkraft
Astronauten erreichen einen entfernten Planeten und stellen fest, dass sie achtmal so viel Kraft benötigen, um Objekte dort anzuheben, wie dies auf der Erde der Fall ist. Was ist die Erdbeschleunigung auf diesem Planeten?
Auf diesem Planeten ist die Schwerkraft achtmal größer. Da die Massen von Objekten eine grundlegende Eigenschaft dieser Objekte sind, können sie sich nicht ändern, dh der Wert von G muss auch achtmal größer sein:
8Fgrav = m (8 g)
Der Wert von G auf der Erde beträgt 9,8 m / s2also 8 × 9,8 m / s2 = 78,4 m / s2.
Newtons universelles Gravitationsgesetz
Das zweite Newtonsche Gesetz, das für das Verständnis der Schwerkraft in der Physik gilt, ist darauf zurückzuführen, dass Newton andere Erkenntnisse eines Physikers verwirrt hat. Er versuchte zu erklären, warum die Planeten des Sonnensystems eher elliptische als kreisförmige Bahnen haben, wie Johannes Kepler in seinen gleichnamigen Gesetzen beobachtet und mathematisch beschrieben hat.
Newton stellte fest, dass die Anziehungskräfte zwischen den Planeten, als sie näher und weiter voneinander kamen, in die Bewegung der Planeten einflossen. Diese Planeten befanden sich tatsächlich im freien Fall. Er quantifizierte diese Anziehungskraft in seinem Universelles Gravitationsgesetz:
F_ {grav} = G frac {m_1m_2} {r ^ 2}Wo Fgrav Wieder ist die Schwerkraft in Newton (N), m1 und m2 sind die Massen des ersten und des zweiten Objekts in Kilogramm (kg) (zum Beispiel die Masse der Erde und die Masse des Objekts in der Nähe der Erde), und d2 ist das Quadrat der Entfernung zwischen ihnen in Metern (m).
Die Variable G, genannt "big G", ist die universelle Gravitationskonstante. Es hat überall im Universum den gleichen Wert. Newton entdeckte den Wert von G nicht (Henry Cavendish fand ihn experimentell nach Newtons Tod), fand aber die Proportionalität von Kraft zu Masse und Distanz ohne ihn.
Die Gleichung zeigt zwei wichtige Zusammenhänge:
Die Newtonsche Theorie ist auch bekannt als inverses Quadratgesetz wegen des zweiten Punktes oben. Dies erklärt, warum die Anziehungskraft zwischen zwei Objekten schnell abnimmt, wenn sie sich trennen, viel schneller als wenn die Masse von einem oder beiden geändert wird.
Beispiel mit Newtons Universalem Gravitationsgesetz
Welche Anziehungskraft hat ein 8.000 kg schwerer Komet, der 70.000 m von einem 200 kg schweren Kometen entfernt ist?
begin {align} 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 {align}Albert Einsteins Relativitätstheorie
Newton hat erstaunliche Arbeit geleistet, um die Bewegung von Objekten vorherzusagen und die Schwerkraft im 17. Jahrhundert zu quantifizieren. Aber ungefähr 300 Jahre später stellte ein anderer großer Geist - Albert Einstein - dieses Denken auf eine neue Art und Weise und mit einer genaueren Art und Weise in Frage, die Schwerkraft zu verstehen.
Nach Einstein ist die Schwerkraft eine Verzerrung von Freizeit, das Gewebe des Universums. Der Raum mit Massenverzerrungen erzeugt wie eine Bowlingkugel eine Vertiefung auf einem Betttuch, und massereichere Objekte wie Sterne oder Schwarze Löcher verzerren den Raum mit Effekten, die mit einem Teleskop leicht zu beobachten sind - das Biegen von Licht oder eine Änderung der Bewegung von Objekten in der Nähe dieser Massen .
Einsteins Theorie der allgemeinen Relativitätstheorie erwies sich als bekannt, indem sie erklärte, warum Merkur, der winzige Planet, der der Sonne in unserem Sonnensystem am nächsten liegt, eine Umlaufbahn hat, die messbare Abweichungen von den Newtonschen Gesetzen aufweist.
Während die allgemeine Relativitätstheorie bei der Erklärung der Schwerkraft genauer ist als die Newtonschen Gesetze, ist der Unterschied bei der Berechnung mit Hilfe von entweder nur auf "relativistischen" Skalen - bei der Betrachtung extrem massereicher Objekte im Kosmos oder bei nahezu Lichtgeschwindigkeit - zum größten Teil bemerkbar. Daher sind die Newtonschen Gesetze auch heute noch nützlich und relevant für die Beschreibung vieler Situationen in der realen Welt, denen der Durchschnittsmensch wahrscheinlich begegnen wird.
Schwerkraft ist wichtig
Der "universelle" Teil des Newtonschen Gravitationsgesetzes ist nicht hyperbolisch. Dieses Gesetz gilt für alles im Universum mit einer Masse! Jeweils zwei Teilchen ziehen sich an, genau wie zwei Galaxien. Natürlich wird bei ausreichend großen Entfernungen die Anziehungskraft so klein, dass sie effektiv Null ist.
Vorausgesetzt, wie wichtig die Gravitation für die Beschreibung ist wie alle Materie interagiert, die umgangssprachlichen englischen Definitionen von Schwere (laut Oxford: "extreme oder alarmierende Wichtigkeit; Ernsthaftigkeit") oder gravitas ("Würde, Ernst oder Feierlichkeit") erhalten zusätzliche Bedeutung. Das heißt, wenn sich jemand auf die "Schwere einer Situation" bezieht, braucht ein Physiker möglicherweise noch eine Klärung: Bedeuten sie "großes G" oder "kleines G"?