Yerçekimi (Fizik): Nedir ve Neden Önemli?

İçerik

• Yerçekimi Kuvveti
• Yer çekiminden kaynaklanan ivme
• Yerçekimi ile Örnek
• Newton'un Evrensel Gravitasyon Kanunu
• Newton'un Evrensel Gravitasyon Yasası Örneği
• Albert Einsteins Genel Görelilik Teorisi
• Yerçekimi Önemli

Bir fizik öğrencisi, fizikteki yerçekimi ile iki farklı şekilde karşılaşabilir: Dünyadaki veya diğer gök cisimlerindeki yerçekimi nedeniyle hızlanma veya evrendeki herhangi iki nesne arasındaki çekim gücü olarak. Gerçekten de yerçekimi, doğadaki en temel kuvvetlerden biridir.

Sir Isaac Newton, her ikisini de tanımlamak için yasalar geliştirdi. Newton'un İkinci Yasası (F_ağ = ma) bir gezegen gibi herhangi bir büyük bedende yerelde yaşanan yerçekimi kuvveti dahil, bir nesneye etki eden herhangi bir net kuvvet için geçerlidir. Newton'un bir ters kare kanunu olan Evrensel Gravitasyon Yasası, herhangi iki nesne arasındaki çekim kuvvetini veya çekiciliğini açıklar.

Yerçekimi Kuvveti

Bir çekim alanı içindeki bir cismin deneyimlediği yerçekimi kuvveti, daima Dünya'nın merkezi gibi, alanı üreten kütlenin merkezine doğru yönlendirilir. Başka herhangi bir kuvvetin yokluğunda Newton ilişkisini kullanarak tanımlanabilir. F_ağ = ma, nerede F_ağ Newton (N) 'de yerçekimi kuvveti, m kilogram cinsinden kütle (kg) ve bir m / s cinsinden yerçekimi nedeniyle hızlanma².

Mars'taki tüm kayaçlar gibi çekimsel bir alandaki nesneler aynı şeyi yaşar alanın ortasına doğru ivme kitleleri üzerinde etkili. Dolayısıyla, aynı gezegendeki farklı nesnelerin hissettiği yerçekimi kuvvetini değiştiren tek faktör kütleleridir: Kütle ne kadar büyükse, yerçekimi kuvveti o kadar büyük ve bunun tersi de geçerlidir.

Yerçekimi gücü dır-dir fizikteki ağırlığı, halk arasında ağırlık sıklıkla farklı şekilde kullanılmasına rağmen.

Yer çekiminden kaynaklanan ivme

Newton'un İkinci Yasası, F_ağ = ma, bir gösterir net kuvvet kütlenin hızlanmasına neden olur. Net kuvvet yerçekiminden geliyorsa, bu ivmeye yerçekimi nedeniyle ivme denir; gezegenler gibi belirli büyük bedenlere yakın nesneler için bu ivme yaklaşık olarak sabittir, yani tüm nesneler aynı ivme ile düşer.

Dünya yüzeyinin yakınında, bu sabite kendi özel değişkeni verilir: g. "Küçük g" gibi g sık sık denir, daima 9.8 m / s sabit bir değere sahiptir.². ("Küçük g" ibaresi bu sabiti bir diğer önemli yerçekim sabiti ile ayırt eder. G,ya da Evrensel Gravitasyon Yasası için geçerli olan "büyük G".) Dünya yüzeyinin yakınında bırakılan herhangi bir nesne, her saniye 9,8 m / s daha hızlı olacak şekilde, giderek artan bir oranda Dünya'nın merkezine düşecek. önceki ikinci.

Yeryüzünde, kütle cismi üzerinde yerçekimi kuvveti m dır-dir:

F_yerçekimi = mg

Yerçekimi ile Örnek

Astronotlar uzak bir gezegene ulaşır ve cisimleri kaldırmanın Dünya'dakilerden çok daha fazla güç aldığını bulur. Bu gezegende yerçekimi nedeniyle ivme nedir?

Bu gezegende yerçekimi kuvveti sekiz kat daha büyüktür. Nesnelerin kütleleri bu nesnelerin temel bir özelliği olduğundan, değişemezler, yani değeri g aynı zamanda sekiz kat daha büyük olmalı:

8F_yerçekimi = m (8 g)

Değeri g Dünyada 9,8 m / s²yani 8 × 9,8 m / s² = 78,4 m / s².

Newton'un Evrensel Gravitasyon Kanunu

Fizikteki yerçekimini anlamak için geçerli olan Newton yasalarının ikincisi, Newton'un başka bir fizikçi bulgusu üzerine şaşırtmasından kaynaklandı. Johannes Kepler tarafından isimsiz yasaları setinde gözlemlendiği ve matematiksel olarak tanımladığı gibi güneş sistemleri gezegenlerinin neden dairesel yörüngeler yerine eliptik yörüngelere sahip olduğunu açıklamaya çalışıyordu.

Newton, gezegenlerin birbirlerine yaklaştığı ve birbirinden uzaklaştıkları yerçekimsel çekim yerlerinin gezegenlerin hareketine oynadıklarını belirledi. Bu gezegenler aslında serbest düşüşdeydi. Bu cazibeyi kendi içinde ölçtü. Evrensel Gravitasyon Kanunu:

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

Nerede F_yerçekimi _again, Newton (N) 'da yerçekimi kuvvetidir, _m₁ ve m₂ sırasıyla birinci ve ikinci nesnelerin kütleleridir, kilogram (kg) cinsinden (örneğin, Dünya'nın kütlesi ve Dünya'nın yakınındaki nesnenin kütlesi) ve d² metre (m) cinsinden aralarındaki mesafenin karesidir.

Değişken G,"büyük G" olarak adlandırılan evrensel yerçekimi sabitidir. O evrenin her yerinde aynı değere sahip. Newton, G'nin değerini keşfetmedi (Henry Cavendish, Newton'un ölümünden sonra deneysel olarak buldu), ancak gücün kütle ve uzaklık olmadan orantılı olduğunu buldu.

Denklem iki önemli ilişkiyi gösterir:

Newton teorisi aynı zamanda bir Ters kare kanunu Yukarıdaki ikinci nokta nedeniyle. İki nesne arasındaki yerçekimi çekiminin neden ayrıldıklarında, ikisinden birinin veya ikisinin kütlesini değiştirmekten çok daha hızlı bir şekilde düştüğünü açıklıyor.

Newton'un Evrensel Gravitasyon Yasası Örneği

200 kg kuyruklu yıldıza 70.000 metre uzaklıktaki 8.000 kg'lık bir kuyruklu yıldız arasındaki çekim gücü nedir?

başlama {hizalı} F_ {grav} & = 6.674 × 10 ^ {- 11} frak {m ^ 3} {kg ^ 2} ( dfrac {8,000 kg x 200 kg} {70,000 ^ 2}) ' = 2.18 × 10 ^ {- 14} end {hizalı}

Albert Einsteins Genel Görelilik Teorisi

Newton, 1600'lerde nesnelerin hareketini öngören ve yerçekimi kuvvetini ölçen harika bir çalışma yaptı. Fakat kabaca 300 yıl sonra, bir başka büyük zihin - Albert Einstein - bu düşünceye, yerçekimini anlamada yeni ve daha doğru bir yöntemle meydan okudu.

Einstein’a göre, yerçekimi bir çarpıtma boş zaman, evrenin dokusu. Bir bowling topu gibi kütle çözgü uzayları yatak çarşafı üzerinde bir girinti oluşturur ve yıldız veya kara delikler gibi daha büyük nesneler teleskopta kolayca gözlenen efektlerle boşluk çözer - ışığın bükülmesi veya bu kütlelere yakın nesnelerin hareketinde bir değişiklik .

Einstein'ın genel görelilik teorisi, güneş sistemimizde güneşe en yakın minik gezegen Merkür'ün neden Newton yasaları tarafından öngörülenlerden ölçülebilir bir fark ile bir yörüngeye sahip olduğunu açıklayarak kendini kanıtlamıştır.

Genel görelilik, Newton'un Kanunlarından daha fazla yerçekimini açıklamakta daha kesin olmakla birlikte, hesaplamaların kullanımındaki farklılık, kozmostaki son derece büyük nesnelere bakarak veya sadece ışık hızlarına yakın olan, yalnızca "görecelik" ölçeklerinde göze çarpmaktadır. Bu nedenle Newton Yasası, ortalama bir insanın karşılaşabileceği birçok gerçek dünya durumunu tanımlamak için bugün faydalı ve konuyla ilgili kalmaktadır.

Yerçekimi Önemli

Newton'un Evrensel Gravitasyon Yasasının "evrensel" kısmı hiperbolik değildir. Bu yasa evrendeki her şeye kitle ile uygulanır! İki galaksinin yaptığı gibi, iki parçacık da birbirlerini çeker. Tabii ki, yeterince büyük mesafelerde, çekim etkin bir şekilde sıfır olacak kadar küçük hale gelir.

Yerçekiminin tanımlamak için ne kadar önemli olduğu göz önüne alındığında Tüm maddelerin nasıl etkileşime girdiğikonuşma dili Yerçekimi (Oxford’a göre: “aşırı veya endişe verici bir önemi; ciddiyeti”) veya gravitas (“saygınlık, ciddiyet veya bir şekilde ciddiyet”) ek önem taşır. Biri "bir durumun ciddiyetine" atıfta bulunduğunda, bir fizikçinin hala açıklığa ihtiyacı olabileceğini söyledi: Büyük G ya da küçük g anlamında mı?