คำนิยาม
I. Newton ค้นพบกฎความโน้มถ่วงสากล:
วัตถุสองชิ้นถูกดึงดูดเข้าหากันด้วย ซึ่งเป็นสัดส่วนโดยตรงกับผลคูณของวัตถุ และแปรผกผันกับกำลังสองของระยะห่างระหว่างวัตถุทั้งสอง:
คำอธิบายของกฎแรงโน้มถ่วง
สัมประสิทธิ์คือค่าคงตัวโน้มถ่วง ในระบบ SI ค่าคงที่โน้มถ่วงมีค่า:
ค่าคงที่นี้ดังที่เห็นได้ว่ามีน้อยมาก ดังนั้นแรงโน้มถ่วงระหว่างวัตถุที่มีมวลน้อยจึงมีขนาดเล็กและแทบไม่รู้สึกเลย อย่างไรก็ตาม การเคลื่อนที่ของวัตถุในจักรวาลนั้นถูกกำหนดโดยแรงโน้มถ่วงโดยสิ้นเชิง การปรากฏตัวของความโน้มถ่วงสากลหรืออีกนัยหนึ่งคือปฏิสัมพันธ์แรงโน้มถ่วงอธิบายว่าโลกและดาวเคราะห์ "ถือ" อะไรอยู่และทำไมพวกเขาถึงเคลื่อนที่รอบดวงอาทิตย์ตามวิถีโคจรและไม่บินหนีจากมัน กฎความโน้มถ่วงสากลทำให้เราสามารถกำหนดคุณลักษณะต่างๆ ของวัตถุท้องฟ้าได้ เช่น มวลของดาวเคราะห์ ดาวฤกษ์ กาแล็กซี และแม้แต่หลุมดำ กฎข้อนี้ทำให้เราสามารถคำนวณวงโคจรของดาวเคราะห์ได้อย่างแม่นยำและสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของจักรวาล
ด้วยความช่วยเหลือของกฎความโน้มถ่วงสากล จึงสามารถคำนวณความเร็วของจักรวาลได้ ตัวอย่างเช่น ความเร็วต่ำสุดที่วัตถุเคลื่อนที่ในแนวนอนเหนือพื้นผิวโลกจะไม่ตกลงมาบนตัวมัน แต่จะเคลื่อนที่เป็นวงโคจรเป็นวงกลมคือ 7.9 km / s (ความเร็วจักรวาลแรก) เพื่อที่จะออกจากโลกนั่นคือ เพื่อเอาชนะแรงดึงดูด ร่างกายต้องมีความเร็ว 11.2 กม. / วินาที (ความเร็วจักรวาลที่สอง)
แรงโน้มถ่วงเป็นหนึ่งในปรากฏการณ์ทางธรรมชาติที่น่าทึ่งที่สุด ในกรณีที่ไม่มีแรงโน้มถ่วง การดำรงอยู่ของจักรวาลจะเป็นไปไม่ได้ จักรวาลก็ไม่สามารถเกิดขึ้นได้ แรงโน้มถ่วงเป็นตัวกำหนดกระบวนการหลายอย่างในจักรวาล - กำเนิดของมัน การดำรงอยู่ของระเบียบแทนที่จะเป็นความโกลาหล ธรรมชาติของแรงโน้มถ่วงยังไม่เป็นที่เข้าใจอย่างถ่องแท้ จนถึงปัจจุบัน ยังไม่มีใครสามารถพัฒนากลไกและแบบจำลองอันทรงคุณค่าของปฏิสัมพันธ์แรงโน้มถ่วงได้
แรงโน้มถ่วง
กรณีพิเศษของการรวมตัวของแรงโน้มถ่วงคือแรงโน้มถ่วง
แรงโน้มถ่วงมักจะชี้ลงในแนวตั้งเสมอ (มุ่งสู่ศูนย์กลางของโลก)
ถ้าแรงโน้มถ่วงกระทำต่อร่างกาย ร่างกายก็จะทำหน้าที่ ประเภทของการเคลื่อนที่ขึ้นอยู่กับทิศทางและโมดูลของความเร็วเริ่มต้น
เราจัดการกับแรงโน้มถ่วงทุกวัน สักพักก็ติดดิน หนังสือที่หลุดจากมือก็ตกลงมา เมื่อกระโดดแล้วบุคคลจะไม่บินไปในอวกาศ แต่ตกลงไปที่พื้น
เมื่อพิจารณาการตกอย่างอิสระของร่างกายใกล้พื้นผิวโลกอันเป็นผลมาจากปฏิสัมพันธ์แรงโน้มถ่วงของวัตถุนี้กับโลก เราสามารถเขียนได้ว่า:
ดังนั้นการเร่งความเร็วการตกอย่างอิสระ:
ความเร่งของการตกอย่างอิสระไม่ได้ขึ้นอยู่กับมวลของร่างกาย แต่ขึ้นอยู่กับความสูงของร่างกายที่อยู่เหนือพื้นโลก โลกจะแบนเล็กน้อยที่เสา ดังนั้นวัตถุที่อยู่ใกล้เสาจึงอยู่ใกล้กับศูนย์กลางของโลกเล็กน้อย ในเรื่องนี้ความเร่งของการตกอย่างอิสระขึ้นอยู่กับละติจูดของพื้นที่: ที่ขั้วโลกนั้นมีค่ามากกว่าที่เส้นศูนย์สูตรและละติจูดอื่นเล็กน้อย (ที่เส้นศูนย์สูตร m / s ที่เส้นศูนย์สูตรของขั้วโลกเหนือ m / s
สูตรเดียวกันนี้ทำให้คุณสามารถค้นหาความเร่งการตกอย่างอิสระบนพื้นผิวของดาวเคราะห์ดวงใดๆ ที่มีมวลและรัศมี
ตัวอย่างการแก้ปัญหา
ตัวอย่างที่ 1 (ปัญหาของการ "ชั่งน้ำหนัก" โลก)
| ออกกำลังกาย | รัศมีของโลกเป็นกม. ความเร่งของการตกอย่างอิสระบนพื้นผิวโลกคือ m/s ใช้ข้อมูลเหล่านี้เพื่อประมาณมวลโดยประมาณของโลก |
| วิธีการแก้ | ความเร่งของการตกอย่างอิสระที่พื้นผิวโลก: ดังนั้นมวลของโลก: ในระบบ C รัศมีของโลก แทนค่าตัวเลขของปริมาณทางกายภาพลงในสูตร เราประมาณการมวลของโลก:
|
| ตอบ | มวลของโลกกก. |
เมตร
ตัวอย่าง 2
| ออกกำลังกาย | ดาวเทียม Earth เคลื่อนที่เป็นวงโคจรเป็นวงกลมที่ระดับความสูง 1,000 กม. จากพื้นผิวโลก ดาวเทียมเคลื่อนที่เร็วแค่ไหน? ต้องใช้เวลานานแค่ไหนในการสร้างดาวเทียม เลี้ยวเต็มรอบโลก? |
| วิธีการแก้ | ตาม แรงที่กระทำต่อดาวเทียมจากด้านข้างของโลกนั้นเท่ากับผลคูณของมวลของดาวเทียมและความเร่งที่มันเคลื่อนที่:
จากด้านข้างของโลก แรงดึงดูดของแรงโน้มถ่วงกระทำบนดาวเทียม ซึ่งตามกฎความโน้มถ่วงสากล มีค่าเท่ากับ: โดยที่และคือมวลของดาวเทียมและโลกตามลำดับ เนื่องจากดาวเทียมอยู่เหนือพื้นผิวโลกที่ความสูงระดับหนึ่ง ระยะห่างจากดาวเทียมถึงศูนย์กลางของโลก: รัศมีของโลกอยู่ที่ไหน |
เซอร์ไอแซก นิวตัน ซึ่งถูกแอปเปิลตีที่ศีรษะ อนุมานกฎความโน้มถ่วงสากล ซึ่งอ่านว่า:
วัตถุสองวัตถุใดๆ ถูกดึงดูดเข้าหากันด้วยแรงที่เป็นสัดส่วนโดยตรงกับผลคูณของมวลของวัตถุ และแปรผกผันกับกำลังสองของระยะห่างระหว่างวัตถุทั้งสอง:
F = (Gm 1 m 2)/R 2 , โดยที่
m1, m2- มวลของร่างกาย
R- ระยะห่างระหว่างจุดศูนย์กลางของร่างกาย
G \u003d 6.67 10 -11 Nm 2 / kg- คงที่
ให้เรากำหนดความเร่งของการตกอย่างอิสระบนพื้นผิวโลก:
F g = m body g = (Gm body m Earth)/R 2
R (รัศมีของโลก) = 6.38 10 6 m
ม. โลก = 5.97 10 24 กก.
ม. ร่างกาย g = (ร่างกาย Gm ม. โลก)/R 2หรือ g \u003d (Gm Earth) / R 2
โปรดทราบว่าความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงไม่ได้ขึ้นอยู่กับมวลของร่างกาย!
ก. \u003d 6.67 10 -11 5.97 10 24 / (6.38 10 6) \u003d 398.2 / 40.7 \u003d 9.8 ม. / วินาที 2
เราได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ว่าแรงโน้มถ่วง (แรงดึงดูด) เรียกว่า ชั่งน้ำหนัก.
บนพื้นผิวโลก น้ำหนักและมวลของร่างกายมีความหมายเหมือนกัน แต่เมื่อคุณเคลื่อนตัวออกจากโลก น้ำหนักของร่างกายจะลดลง (เนื่องจากระยะห่างระหว่างจุดศูนย์กลางของโลกกับร่างกายจะเพิ่มขึ้น) และมวลจะคงที่ (เนื่องจากมวลเป็นการแสดงออกถึงความเฉื่อยของร่างกาย) . มวลมีหน่วยวัดเป็น กิโลกรัม, น้ำหนัก - นิ้ว นิวตัน.
ต้องขอบคุณแรงโน้มถ่วงที่ทำให้เทห์ฟากฟ้าหมุนสัมพันธ์กัน: ดวงจันทร์รอบโลก; โลกรอบดวงอาทิตย์ ดวงอาทิตย์รอบใจกลางกาแล็กซี่ของเรา ฯลฯ ในกรณีนี้ วัตถุถูกยึดไว้โดยแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางซึ่งมาจากแรงโน้มถ่วง
เช่นเดียวกับวัตถุประดิษฐ์ (ดาวเทียม) ที่โคจรรอบโลก วงกลมที่ดาวเทียมหมุนรอบเรียกว่าวงโคจรของการหมุน
ในกรณีนี้ แรงเหวี่ยงจะกระทำต่อดาวเทียม:
F c \u003d (m ดาวเทียม V 2) / R
แรงโน้มถ่วง:
F ก. \u003d (ดาวเทียม Gm ม. ของโลก) / R 2
F c \u003d F g \u003d (m ดาวเทียม V 2) / R \u003d (Gm ดาวเทียม m โลก) / R 2
V2 = (Gm Earth)/R; V = √(Gm Earth)/R
เมื่อใช้สูตรนี้ คุณจะคำนวณความเร็วของวัตถุใดๆ ที่หมุนเป็นวงโคจรด้วยรัศมี Rรอบโลก
บริวารธรรมชาติของโลกคือดวงจันทร์ ให้เรากำหนดความเร็วเชิงเส้นในวงโคจร:
มวลของโลก = 5.97 10 24 กก.
Rคือระยะห่างระหว่างศูนย์กลางของโลกกับศูนย์กลางของดวงจันทร์ ในการกำหนดระยะทางนี้ เราจำเป็นต้องเพิ่มปริมาณสามค่า: รัศมีของโลก รัศมีของดวงจันทร์; ระยะห่างจากโลกถึงดวงจันทร์
R ดวงจันทร์ = 1738 กม. = 1.74 10 6 m
R โลก \u003d 6371 กม. \u003d 6.37 10 6 m
R zl \u003d 384400 km \u003d 384.4 10 6 m
ระยะทางรวมระหว่างศูนย์กลางของดาวเคราะห์: R = 392.5 10 6 m
ความเร็วเชิงเส้นของดวงจันทร์:
V \u003d √ (กรัมของโลก) / R \u003d √6.67 10 -11 5.98 10 24 / 392.5 10 6 \u003d 1,000 m / s \u003d 3600 km / h
ดวงจันทร์โคจรรอบโลกด้วยความเร็วเชิงเส้น 3600 กม./ชม!
ตอนนี้ให้เรากำหนดระยะเวลาของการปฏิวัติของดวงจันทร์รอบโลก ในช่วงระยะเวลาของการปฏิวัติ ดวงจันทร์จะเอาชนะระยะทางเท่ากับความยาวของวงโคจร - 2πR. ความเร็วโคจรของดวงจันทร์: วี = 2πR/T; ในทางกลับกัน: V = √(Gm Earth)/R:
2πR/T = √(Gm Earth)/R ดังนั้น T = 2π√R 3 /Gm Earth
T \u003d 6.28 √ (60.7 10 24) / 6.67 10 -11 5.98 10 24 \u003d 3.9 10 5 วินาที
ระยะเวลาโคจรรอบโลกของดวงจันทร์คือ 2,449,200 วินาที หรือ 40,820 นาที หรือ 680 ชั่วโมง หรือ 28.3 วัน
1. การหมุนในแนวตั้ง
ก่อนหน้านี้ในคณะละครสัตว์ มีกลอุบายที่คนขี่จักรยานยนต์ (ผู้ขับขี่รถจักรยานยนต์) เลี้ยวเต็มวงในวงกลมที่ตั้งอยู่ในแนวตั้ง
ความเร็วขั้นต่ำที่นักเล่นกลต้องมีเพื่อไม่ให้ล้มลงที่จุดสูงสุดคืออะไร?
การจะผ่านจุดสูงสุดได้โดยไม่ล้ม ร่างกายต้องมีความเร็วที่สร้างแรงเหวี่ยงหนีศูนย์ที่จะชดเชยแรงโน้มถ่วง
แรงเหวี่ยง: F c \u003d mV 2 / R
แรงโน้มถ่วง: F ก. = มก.
F c \u003d F ก.; mV 2 /R = มก.; วี = √Rg
และอีกครั้ง โปรดทราบว่าไม่มีมวลกายในการคำนวณ! ควรสังเกตว่านี่คือความเร็วที่ร่างกายควรมีที่ด้านบน!
สมมติว่ามีวงกลมที่มีรัศมี 10 เมตรตั้งอยู่ในเวทีละครสัตว์ ลองคำนวณความเร็วที่ปลอดภัยสำหรับเคล็ดลับ:
V = √Rg = √10 9.8 = 10 ม./วินาที = 36 กม./ชม.
ผู้ค้นพบกฎแห่งแรงโน้มถ่วง
ไม่เป็นความลับที่กฎของแรงโน้มถ่วงสากลถูกค้นพบโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษผู้ยิ่งใหญ่ Isaac Newton ซึ่งตามตำนานกล่าวว่ากำลังเดินอยู่ในสวนยามเย็นและครุ่นคิดถึงปัญหาของฟิสิกส์ ในขณะนั้น แอปเปิลหนึ่งลูกตกลงมาจากต้นไม้ (ตามรุ่นหนึ่ง ตรงหัวของนักฟิสิกส์ อีกฉบับหนึ่งเพิ่งตกลงมา) ซึ่งต่อมากลายเป็นแอปเปิลอันโด่งดังของนิวตัน เนื่องจากมันทำให้นักวิทยาศาสตร์ได้เข้าใจถึงยูเรก้า แอปเปิ้ลที่ตกลงบนหัวของนิวตันและเป็นแรงบันดาลใจให้เขาค้นพบกฎความโน้มถ่วงสากลเพราะดวงจันทร์ยังคงนิ่งอยู่ในท้องฟ้ายามค่ำคืนแอปเปิ้ลตกลงมานักวิทยาศาสตร์อาจคิดว่าแรงบางอย่างทำเหมือนดวงจันทร์ (ทำให้ โคจร) เป็นต้น ทำให้ผลแอปเปิลตกลงสู่พื้น
ตามคำรับรองของนักประวัติศาสตร์วิทยาศาสตร์บางคน เรื่องราวทั้งหมดเกี่ยวกับแอปเปิลนี้เป็นเพียงนิยายที่สวยงาม อันที่จริง ไม่ว่าแอปเปิลจะตกลงมาหรือไม่ไม่สำคัญนัก นักวิทยาศาสตร์ก็ต้องค้นพบและกำหนดกฎความโน้มถ่วงสากลอย่างแท้จริง ซึ่งปัจจุบันเป็นหนึ่งในเสาหลักของทั้งฟิสิกส์และดาราศาสตร์
แน่นอน นานก่อนนิวตัน ผู้คนสังเกตเห็นทั้งสองสิ่งที่ตกลงมาสู่พื้นดินและดวงดาวบนท้องฟ้า แต่ก่อนหน้าเขา พวกเขาเชื่อว่ามีแรงโน้มถ่วงอยู่สองประเภท: โลก (ทำหน้าที่เฉพาะภายในโลกทำให้ร่างกายตกลงมา) และสวรรค์ ( กระทำต่อดวงดาวและดวงจันทร์) นิวตันเป็นคนแรกที่รวมแรงโน้มถ่วงสองประเภทนี้ไว้ในหัวของเขา คนแรกที่เข้าใจว่ามีแรงโน้มถ่วงเพียงจุดเดียวและสามารถอธิบายการกระทำของมันได้ด้วยกฎทางกายภาพสากล
นิยามของกฎความโน้มถ่วงสากล
ตามกฎหมายนี้ วัตถุทั้งหมดจะดึงดูดซึ่งกันและกัน ในขณะที่แรงดึงดูดไม่ได้ขึ้นอยู่กับทางกายภาพหรือ คุณสมบัติทางเคมีโทร. มันขึ้นอยู่กับว่าถ้าทุกอย่างง่ายขึ้นมากที่สุดเท่าที่เป็นไปได้เฉพาะในน้ำหนักของร่างกายและระยะห่างระหว่างพวกเขา คุณต้องคำนึงถึงความจริงที่ว่าทุกร่างบนโลกได้รับผลกระทบจากแรงดึงดูดของโลกซึ่งเรียกว่าแรงโน้มถ่วง (จากภาษาละตินคำว่า "gravitas" แปลว่าแรงโน้มถ่วง)
ทีนี้ลองกำหนดและเขียนกฎความโน้มถ่วงสากลให้สั้นที่สุดเท่าที่จะทำได้: แรงดึงดูดระหว่างวัตถุสองวัตถุที่มีมวล m1 และ m2 และคั่นด้วยระยะทาง R เป็นสัดส่วนโดยตรงกับมวลทั้งสองและเป็นสัดส่วนผกผันกับกำลังสองของ ระยะห่างระหว่างพวกเขา
สูตรกฎความโน้มถ่วงสากล
ด้านล่างนี้เราขอเสนอสูตรของกฎความโน้มถ่วงสากลให้คุณทราบ
G ในสูตรนี้คือค่าคงตัวโน้มถ่วง เท่ากับ 6.67408(31) 10 -11 ซึ่งเป็นค่าของการกระทบต่อวัตถุใดๆ ที่เป็นแรงโน้มถ่วงของโลกเรา
กฎความโน้มถ่วงสากลและความไร้น้ำหนักของร่างกาย
กฎความโน้มถ่วงสากลที่นิวตันค้นพบ เช่นเดียวกับเครื่องมือทางคณิตศาสตร์ ต่อมาได้ก่อร่างเป็นพื้นฐานของกลศาสตร์ท้องฟ้าและดาราศาสตร์ เพราะสามารถใช้อธิบายธรรมชาติของการเคลื่อนที่ของเทห์ฟากฟ้าตลอดจนปรากฏการณ์ไร้น้ำหนัก . การอยู่ในอวกาศที่อยู่ห่างจากแรงดึงดูด - แรงโน้มถ่วงของวัตถุขนาดใหญ่เช่นดาวเคราะห์พอสมควรวัตถุวัตถุใด ๆ (เช่นยานอวกาศที่มีนักบินอวกาศอยู่บนเรือ) จะอยู่ในสภาพไร้น้ำหนักเนื่องจากแรงของ อิทธิพลแรงโน้มถ่วงของโลก (G ในสูตรกฎแรงโน้มถ่วง) หรือดาวเคราะห์ดวงอื่นจะไม่ส่งผลกระทบอีกต่อไป
Obi-Wan Kenobi กล่าวว่าความแข็งแกร่งยึดกาแลคซีไว้ด้วยกัน สามารถพูดได้เช่นเดียวกันเกี่ยวกับแรงโน้มถ่วง ความจริงก็คือแรงโน้มถ่วงทำให้เราเดินบนโลกได้ โลกหมุนรอบดวงอาทิตย์ และดวงอาทิตย์โคจรรอบหลุมดำมวลมหาศาลที่ใจกลางดาราจักรของเรา จะเข้าใจแรงโน้มถ่วงได้อย่างไร? เกี่ยวกับเรื่องนี้ - ในบทความของเรา
สมมติว่าคุณจะไม่พบคำตอบที่ถูกต้องชัดเจนสำหรับคำถามที่ว่า "แรงโน้มถ่วงคืออะไร" เพราะมันไม่มีอยู่จริง! แรงโน้มถ่วงเป็นหนึ่งในปรากฏการณ์ที่ลึกลับที่สุดที่นักวิทยาศาสตร์ไขปริศนาและยังไม่สามารถอธิบายธรรมชาติของมันได้อย่างเต็มที่
มีสมมติฐานและความคิดเห็นมากมาย มีทฤษฎีเกี่ยวกับแรงโน้มถ่วง ทางเลือก และคลาสสิกมากกว่าหนึ่งโหล เราจะพิจารณาสิ่งที่น่าสนใจ ตรงประเด็น และทันสมัยที่สุด
ต้องการข้อมูลที่เป็นประโยชน์มากขึ้นและข่าวใหม่ทุกวัน? เข้าร่วมกับเราทางโทรเลข
แรงโน้มถ่วงเป็นปฏิสัมพันธ์พื้นฐานทางกายภาพ
มีปฏิสัมพันธ์พื้นฐาน 4 อย่างในฟิสิกส์ ต้องขอบคุณพวกเขา โลกจึงเป็นอย่างที่มันเป็น แรงโน้มถ่วงเป็นหนึ่งในแรงเหล่านี้
ปฏิสัมพันธ์พื้นฐาน:
- แรงโน้มถ่วง;
- แม่เหล็กไฟฟ้า;
- ปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่ง
- ปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอ
ในขณะนี้ ทฤษฎีปัจจุบันที่อธิบายแรงโน้มถ่วงคือ GR (ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป) มันถูกเสนอโดย Albert Einstein ในปี 1915-1916
อย่างไรก็ตาม เรารู้ว่ายังเร็วเกินไปที่จะพูดถึงความจริงขั้นสุดท้าย ท้ายที่สุด หลายศตวรรษก่อนการถือกำเนิดของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปในฟิสิกส์ ทฤษฎีของนิวตันซึ่งขยายออกไปอย่างมีนัยสำคัญ ถูกครอบงำเพื่ออธิบายแรงโน้มถ่วง
ในขณะนี้ เป็นไปไม่ได้ที่จะอธิบายและอธิบายประเด็นทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับแรงโน้มถ่วงภายในกรอบของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป
ก่อนนิวตัน เชื่อกันอย่างกว้างขวางว่าแรงโน้มถ่วงบนโลกและความโน้มถ่วงท้องฟ้าเป็นสิ่งที่แตกต่างกัน เชื่อกันว่าดาวเคราะห์เคลื่อนที่ไปตามธรรมชาติซึ่งแตกต่างจากกฎทางโลกในอุดมคติ
นิวตันค้นพบกฎความโน้มถ่วงสากลในปี ค.ศ. 1667 แน่นอน กฎข้อนี้มีอยู่แม้กระทั่งในช่วงไดโนเสาร์และก่อนหน้านั้นมาก
นักปรัชญาโบราณคิดเกี่ยวกับการมีอยู่ของแรงโน้มถ่วง กาลิเลโอทดลองคำนวณความเร่งของการตกอย่างอิสระบนโลก โดยพบว่าวัตถุทุกมวลมีค่าเท่ากัน เคปเลอร์ศึกษากฎการเคลื่อนที่ของเทห์ฟากฟ้า
นิวตันสามารถกำหนดและสรุปผลการสังเกตได้ นี่คือสิ่งที่เขาได้รับ:
วัตถุสองชิ้นถูกดึงดูดเข้าหากันด้วยแรงที่เรียกว่าแรงโน้มถ่วงหรือแรงโน้มถ่วง
สูตรของแรงดึงดูดระหว่างวัตถุคือ:
G คือค่าคงตัวโน้มถ่วง m คือมวลของวัตถุ r คือระยะห่างระหว่างจุดศูนย์กลางมวลของวัตถุ
อะไร ความหมายทางกายภาพค่าคงที่โน้มถ่วง? เท่ากับแรงที่วัตถุมวล 1 กิโลกรัม กระทำต่อกัน โดยอยู่ห่างจากกัน 1 เมตร
ตามทฤษฎีของนิวตัน ทุกวัตถุสร้างสนามโน้มถ่วง ความถูกต้องของกฎของนิวตันได้รับการทดสอบที่ระยะทางน้อยกว่าหนึ่งเซนติเมตร แน่นอนว่าสำหรับมวลชนกลุ่มเล็ก ๆ กองกำลังเหล่านี้ไม่มีนัยสำคัญและสามารถละเลยได้
สูตรของนิวตันใช้ได้กับทั้งการคำนวณแรงดึงดูดของดาวเคราะห์กับดวงอาทิตย์และสำหรับวัตถุขนาดเล็ก เราไม่สังเกตเห็นแรงที่ลูกบอลบนโต๊ะบิลเลียดถูกดึงดูด อย่างไรก็ตาม แรงนี้มีอยู่และสามารถคำนวณได้
แรงดึงดูดกระทำระหว่างวัตถุใดๆ ในจักรวาล เอฟเฟกต์ของมันขยายไปถึงทุกระยะ
กฎความโน้มถ่วงสากลของนิวตันไม่ได้อธิบายธรรมชาติของแรงดึงดูด แต่กำหนดรูปแบบเชิงปริมาณ ทฤษฎีของนิวตันไม่ได้ขัดแย้งกับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป เพียงพอแล้วสำหรับการแก้ปัญหาในทางปฏิบัติในระดับของโลกและการคำนวณการเคลื่อนที่ของเทห์ฟากฟ้า
แรงโน้มถ่วงในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป
แม้ว่าทฤษฎีของนิวตันจะนำไปใช้ได้จริง แต่ก็มีข้อบกพร่องหลายประการ กฎความโน้มถ่วงสากลเป็นคำอธิบายทางคณิตศาสตร์ แต่ไม่ได้ให้แนวคิดเกี่ยวกับธรรมชาติทางกายภาพพื้นฐานของสิ่งต่างๆ
ตามคำกล่าวของนิวตัน แรงดึงดูดกระทำที่ระยะใดก็ได้ และใช้งานได้ทันที เมื่อพิจารณาว่าความเร็วที่เร็วที่สุดในโลกคือความเร็วแสง มีความคลาดเคลื่อน แรงโน้มถ่วงสามารถกระทำได้ทันทีที่ระยะทางใด ๆ ในเมื่อแสงไม่ต้องการชั่วขณะ แต่ใช้เวลาหลายวินาทีหรือหลายปีเพื่อเอาชนะพวกมัน
ภายในกรอบของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป แรงโน้มถ่วงไม่ถือเป็นแรงที่กระทำกับวัตถุ แต่เป็นความโค้งของอวกาศและเวลาภายใต้อิทธิพลของมวล ดังนั้นแรงโน้มถ่วงจึงไม่ใช่ปฏิสัมพันธ์ของแรง
แรงโน้มถ่วงมีผลอย่างไร? ลองอธิบายโดยใช้การเปรียบเทียบ
ลองนึกภาพพื้นที่เป็นแผ่นยางยืด หากคุณใส่ลูกเทนนิสแบบบางเบา พื้นผิวจะยังคงเรียบ แต่ถ้าคุณวางของหนักไว้ข้างลูกบอล มันจะดันเป็นรูบนผิวน้ำ และลูกบอลจะเริ่มหมุนเข้าหาน้ำหนักที่หนักและใหญ่ นี่คือ "แรงโน้มถ่วง"
อนึ่ง! สำหรับผู้อ่านของเราตอนนี้มีส่วนลด 10% สำหรับ งานอะไรก็ได้
การค้นพบคลื่นความโน้มถ่วง
Albert Einstein ทำนายคลื่นความโน้มถ่วงในปี 1916 แต่ถูกค้นพบในอีกร้อยปีต่อมาในปี 2015
คลื่นความโน้มถ่วงคืออะไร? ลองวาดการเปรียบเทียบอีกครั้ง หากคุณโยนหินลงไปในน้ำนิ่ง วงกลมจะลอยขึ้นมาบนผิวน้ำจากจุดที่ตกลงมา คลื่นความโน้มถ่วงเป็นระลอกคลื่นเดียวกัน ไม่ใช่แค่บนน้ำ แต่ในอวกาศ-เวลา
แทนที่จะเป็นน้ำ - กาลอวกาศและแทนที่จะเป็นหินพูดเป็นหลุมดำ การเคลื่อนที่ของมวลที่เร่งขึ้นทำให้เกิดคลื่นความโน้มถ่วง หากวัตถุตกอย่างอิสระ ระยะห่างระหว่างวัตถุจะเปลี่ยนไปเมื่อคลื่นโน้มถ่วงผ่าน
เนื่องจากแรงโน้มถ่วงเป็นแรงที่อ่อนแอมาก การตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงจึงมีความเกี่ยวข้องกับปัญหาทางเทคนิคอย่างมาก เทคโนโลยีสมัยใหม่ทำให้สามารถตรวจจับการระเบิดของคลื่นความโน้มถ่วงจากแหล่งกำเนิดมวลมหาศาลเท่านั้น
เหตุการณ์ที่เหมาะสมสำหรับการลงทะเบียนคลื่นความโน้มถ่วงคือการรวมตัวของหลุมดำ น่าเสียดายหรือโชคดีที่สิ่งนี้เกิดขึ้นค่อนข้างน้อย อย่างไรก็ตามนักวิทยาศาสตร์สามารถลงทะเบียนคลื่นที่กลิ้งผ่านอวกาศของจักรวาลได้อย่างแท้จริง
ในการลงทะเบียนคลื่นความโน้มถ่วงได้มีการสร้างเครื่องตรวจจับที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 4 กิโลเมตร ในระหว่างการเคลื่อนตัวของคลื่น มีการบันทึกการสั่นของกระจกบนตัวแขวนลอยในสุญญากาศและการรบกวนของแสงที่สะท้อนจากพวกมัน
คลื่นความโน้มถ่วงยืนยันความถูกต้องของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป
แรงโน้มถ่วงและอนุภาคมูลฐาน
ในแบบจำลองมาตรฐาน อนุภาคมูลฐานบางชนิดมีหน้าที่รับผิดชอบในการโต้ตอบแต่ละครั้ง เราสามารถพูดได้ว่าอนุภาคเป็นพาหะของปฏิสัมพันธ์
กราวิตอนมีหน้าที่รับผิดชอบต่อแรงโน้มถ่วง ซึ่งเป็นอนุภาคมวลน้อยสมมุติที่มีพลังงาน อย่างไรก็ตาม ในเนื้อหาแยกของเรา โปรดอ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับ Higgs boson และอนุภาคมูลฐานอื่นๆ ที่ส่งเสียงดังมาก
สุดท้าย ต่อไปนี้คือข้อเท็จจริงที่น่าสนใจบางประการเกี่ยวกับแรงโน้มถ่วง
10 ข้อเท็จจริงเกี่ยวกับแรงโน้มถ่วง
- เพื่อเอาชนะแรงโน้มถ่วงของโลก ร่างกายต้องมีความเร็วเท่ากับ 7.91 กม./วินาที นี่คือความเร็วจักรวาลแรก ร่างกาย (เช่น ยานสำรวจอวกาศ) เคลื่อนที่ในวงโคจรรอบโลกก็เพียงพอแล้ว
- เพื่อหนีจากสนามโน้มถ่วงของโลก ยานอวกาศต้องมีความเร็วอย่างน้อย 11.2 กม./วินาที นี่คือความเร็วของอวกาศที่สอง
- วัตถุที่มีแรงโน้มถ่วงมากที่สุดคือหลุมดำ แรงโน้มถ่วงของพวกมันแรงมากจนดึงดูดแสงได้ (โฟตอน)
- คุณจะไม่พบแรงโน้มถ่วงในสมการใดๆ ของกลศาสตร์ควอนตัม ความจริงก็คือเมื่อคุณพยายามรวมแรงโน้มถ่วงไว้ในสมการ แรงโน้มถ่วงจะสูญเสียความเกี่ยวข้องไป นี่เป็นหนึ่งในปัญหาที่สำคัญที่สุดในฟิสิกส์สมัยใหม่
- คำว่าแรงโน้มถ่วงมาจากภาษาละติน "gravis" ซึ่งแปลว่า "หนัก"
- ยิ่งวัตถุมีมวลมากเท่าใด แรงโน้มถ่วงก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น หากบุคคลที่มีน้ำหนัก 60 กิโลกรัมบนโลกชั่งน้ำหนักบนดาวพฤหัสบดี เครื่องชั่งจะแสดง 142 กิโลกรัม
- นักวิทยาศาสตร์ของนาซ่ากำลังพยายามพัฒนาลำแสงความโน้มถ่วงที่จะยอมให้วัตถุเคลื่อนที่ได้โดยไม่ต้องสัมผัสเพื่อเอาชนะแรงโน้มถ่วง
- นักบินอวกาศในวงโคจรก็ประสบกับแรงโน้มถ่วงเช่นกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง สภาวะไร้น้ำหนัก ดูเหมือนพวกมันจะตกลงมาอย่างไม่รู้จบพร้อมกับเรือที่พวกเขาอยู่
- แรงโน้มถ่วงดึงดูดเสมอและไม่เคยขับไล่
- หลุมดำขนาดเท่าลูกเทนนิสดึงวัตถุด้วยแรงเดียวกับโลกของเรา
ตอนนี้คุณทราบคำจำกัดความของแรงโน้มถ่วงแล้ว และคุณสามารถบอกได้ว่าสูตรใดที่ใช้คำนวณแรงดึงดูด หากหินแกรนิตแห่งวิทยาศาสตร์ดึงดูดคุณให้หนักกว่าแรงโน้มถ่วง โปรดติดต่อฝ่ายบริการนักเรียนของเรา เราจะช่วยให้คุณเรียนรู้ได้ง่ายภายใต้ภาระงานที่หนักที่สุด!
ในฟิสิกส์ มีกฎ เงื่อนไข คำจำกัดความ และสูตรมากมายที่อธิบายปรากฏการณ์ทางธรรมชาติทั้งหมดบนโลกและในจักรวาล หนึ่งในกฎหลักคือกฎความโน้มถ่วงสากลซึ่งถูกค้นพบโดยนักวิทยาศาสตร์ผู้ยิ่งใหญ่และเป็นที่รู้จักอย่างไอแซก นิวตัน คำจำกัดความของมันมีลักษณะดังนี้: วัตถุสองชิ้นในจักรวาลจะถูกดึงดูดซึ่งกันและกันด้วยแรงบางอย่าง สูตรสำหรับแรงโน้มถ่วงสากลซึ่งคำนวณแรงนี้จะมีลักษณะดังนี้: F = G*(m1*m2 / R*R)
ติดต่อกับ
ประวัติความเป็นมาของการค้นพบกฎหมาย
อย่างสูง เป็นเวลานานผู้คนศึกษาท้องฟ้า. พวกเขาต้องการทราบคุณลักษณะทั้งหมด ทั้งหมดที่อยู่ในพื้นที่ที่ไม่สามารถเข้าถึงได้ ปฏิทินถูกรวบรวมจากฟากฟ้า คำนวณวันสำคัญและวันสำคัญทางศาสนา ผู้คนเชื่อว่าศูนย์กลางของจักรวาลทั้งหมดคือดวงอาทิตย์ ซึ่งวัตถุท้องฟ้าทั้งหมดหมุนรอบ
ความสนใจทางวิทยาศาสตร์ที่รุนแรงอย่างแท้จริงในอวกาศและดาราศาสตร์โดยทั่วไปปรากฏขึ้นในศตวรรษที่ 16 ระหว่างการวิจัย Tycho Brahe นักดาราศาสตร์ผู้ยิ่งใหญ่ได้สังเกตการเคลื่อนไหวของดาวเคราะห์ บันทึกการสังเกตการณ์และจัดระบบ เมื่อถึงเวลาที่ไอแซก นิวตันค้นพบกฎความโน้มถ่วงสากล ระบบโคเปอร์นิแกนก็ถูกสร้างขึ้นในโลกแล้ว โดยที่เทห์ฟากฟ้าทั้งหมดโคจรรอบดาวฤกษ์ในโคจรบางดวง นักวิทยาศาสตร์ผู้ยิ่งใหญ่ Kepler บนพื้นฐานของการวิจัยของ Brahe ได้ค้นพบกฎจลนศาสตร์ที่กำหนดลักษณะการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์
ตามกฎของเคปเลอร์ ไอแซก นิวตัน เปิดใจแล้วพบว่า, อะไร:
- การเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์บ่งบอกถึงการมีอยู่ของแรงศูนย์กลาง
- แรงจากศูนย์กลางทำให้ดาวเคราะห์เคลื่อนที่ในวงโคจรของพวกมัน
การแยกวิเคราะห์สูตร
มีห้าตัวแปรในสูตรกฎของนิวตัน:
การคำนวณมีความแม่นยำเพียงใด
เนื่องจากกฎของไอแซก นิวตัน หมายถึงกลศาสตร์ การคำนวณจึงไม่ได้สะท้อนถึงแรงจริงที่ร่างกายโต้ตอบอย่างแม่นยำเสมอไป นอกจากนี้ , สูตรนี้สามารถใช้ได้ในสองกรณีเท่านั้น:
- เมื่อวัตถุทั้งสองซึ่งเกิดปฏิสัมพันธ์กันนั้นเป็นวัตถุที่เป็นเนื้อเดียวกัน
- เมื่อวัตถุชิ้นหนึ่งเป็นจุดวัตถุและอีกชิ้นหนึ่งเป็นลูกบอลที่เป็นเนื้อเดียวกัน
สนามแรงโน้มถ่วง
ตามกฎข้อที่สามของนิวตัน เราเข้าใจว่าแรงของปฏิสัมพันธ์ของวัตถุทั้งสองมีค่าเท่ากัน แต่มีทิศทางตรงกันข้าม ทิศทางของแรงเกิดขึ้นอย่างเคร่งครัดตามแนวเส้นตรงที่เชื่อมจุดศูนย์กลางมวลของวัตถุสองวัตถุที่มีปฏิสัมพันธ์กัน ปฏิสัมพันธ์ของแรงดึงดูดระหว่างวัตถุเกิดขึ้นเนื่องจากสนามโน้มถ่วง
คำอธิบายของปฏิสัมพันธ์และแรงโน้มถ่วง
แรงโน้มถ่วงมีสนามปฏิสัมพันธ์ระยะยาวมาก. กล่าวอีกนัยหนึ่ง อิทธิพลของมันแผ่ขยายไปทั่วระยะทางสเกลจักรวาลที่มีขนาดใหญ่มาก ต้องขอบคุณแรงโน้มถ่วง ผู้คนและวัตถุอื่น ๆ ทั้งหมดจึงถูกดึงดูดมายังโลก และโลกและดาวเคราะห์ทั้งหมดของระบบสุริยะก็ถูกดึงดูดเข้าหาดวงอาทิตย์ แรงโน้มถ่วงเป็นอิทธิพลคงที่ของร่างกายที่มีต่อกันและกัน เป็นปรากฏการณ์ที่กำหนดกฎความโน้มถ่วงสากล สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจสิ่งหนึ่ง - ยิ่งร่างกายมีมวลมากเท่าไรก็ยิ่งมีแรงโน้มถ่วงมากขึ้นเท่านั้น โลกมีมวลมหาศาล ดังนั้นเราจึงดึงดูดมัน และดวงอาทิตย์มีน้ำหนักมากกว่าโลกหลายล้านเท่า ดังนั้นโลกของเราจึงดึงดูดดาวฤกษ์
อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ หนึ่งในนักฟิสิกส์ที่ยิ่งใหญ่ที่สุด แย้งว่าแรงโน้มถ่วงระหว่างวัตถุทั้งสองเกิดจากความโค้งของกาลอวกาศ นักวิทยาศาสตร์มั่นใจว่าช่องว่าง เช่น เนื้อเยื่อ สามารถกดผ่านได้ และยิ่งวัตถุมีมวลมากเท่าใด มันก็จะยิ่งดันผ่านเนื้อเยื่อนี้มากเท่านั้น ไอน์สไตน์เป็นผู้เขียนทฤษฎีสัมพัทธภาพซึ่งระบุว่าทุกสิ่งในจักรวาลมีความสัมพันธ์กัน แม้กระทั่งปริมาณเช่นเวลา
ตัวอย่างการคำนวณ
ลองใช้สูตรของกฎความโน้มถ่วงสากลที่รู้กันดีอยู่แล้ว แก้ปัญหาฟิสิกส์:
- รัศมีของโลกประมาณ 6350 กิโลเมตร เราใช้ความเร่งของการตกอย่างอิสระเป็น 10 จำเป็นต้องหามวลของโลก
วิธีการแก้:ความเร่งการตกอย่างอิสระที่พื้นโลกจะเท่ากับ G*M / R^2 จากสมการนี้ เราสามารถแสดงมวลของโลก: M = g * R ^ 2 / G เหลือเพียงการแทนที่ค่าในสูตร: M = 10 * 6350000 ^ 2 / 6, 7 * 10 ^-11. เพื่อไม่ให้ทรมานกับองศาเราจึงนำสมการมาอยู่ในรูปแบบ:
- M = 10* (6.4*10^6)^2 / 6.7 * 10^-11
เมื่อคำนวณแล้วเราจะได้มวลของโลกประมาณ 6 * 10 ^ 24 กิโลกรัม
