תוֹכֶן
- כוח המשיכה
- האצה עקב כוח המשיכה
- דוגמה בכבידה
- חוק הכבידה של ניוטון
- דוגמה עם חוק הכבידה של ניוטון האוניברסלי
- תורת היחסות הכללית של אלברט איינשטיין
- כוח המשיכה חשוב
סטודנט לפיזיקה עשוי להיתקל בכוח המשיכה בפיזיקה בשני אופנים שונים: כתאוצה כתוצאה מכוח הכבידה על פני כדור הארץ או גופים שמימיים אחרים, או ככוח המשיכה בין שני אובייקטים ביקום. אכן כוח המשיכה הוא אחד הכוחות הבסיסיים ביותר בטבע.
סר אייזק ניוטון פיתח חוקים לתיאור שניהם. החוק השני של ניוטון (ונטו = ma) חל על כל כוח נטו הפועל על חפץ, כולל כוח הכובד שנחווה בשטח של כל גוף גדול, כמו כדור הארץ. חוק הכבידה האוניברסלי של ניוטון, חוק מרובע הפוך, מסביר את המשיכה או המשיכה הכבידה בין שני עצמים כלשהם.
כוח המשיכה
כוח הכבידה שחווה חפץ בתוך שדה כבידה מכוון תמיד לעבר מרכז המיסה המייצר את השדה, כמו למשל מרכז כדור הארץ. בהיעדר כוחות אחרים, ניתן לתאר זאת באמצעות מערכת היחסים הניוטונית ונטו = ma, איפה ונטו הוא כוח הכובד בניוטון (N), M הוא מסה בקילוגרמים (ק"ג) ו א היא תאוצה כתוצאה מכוח הכבידה במטר / ים2.
כל החפצים שנמצאים בתוך שדה כבידה, כמו כל הסלעים במאדים, חווים אותו דבר תאוצה לכיוון מרכז השדה פועלים על ההמונים שלהם. לפיכך, הגורם היחיד שמשנה את כוח הכובד שמרגישים עצמים שונים באותו פלנטה הוא המסה שלהם: ככל שמסה רבה יותר, כך כוח הכובד גדול יותר ולהיפך.
כוח הכובד פועל עזר לגוף שני משקלו בפיזיקה, אם כי לעתים קרובות משתמשים באופן שונה במשקל.
האצה עקב כוח המשיכה
החוק השני של ניוטון, ונטו = ma, מראה כי א כוח נטו גורם למסה להאיץ. אם הכוח הנקי הוא מכוח הכבידה, האצה הזו נקראת תאוצה בגלל כוח הכבידה; עבור חפצים בקרבת גופים גדולים מסוימים כמו כוכבי לכת תאוצה זו היא קבועה בערך, כלומר כל העצמים נופלים באותה תאוצה.
קרוב לפני השטח של כדור הארץ, קבוע זה מקבל משתנה מיוחד משלו: ז. "G הקטן", כמו ז נקרא לעיתים קרובות, תמיד יש לו ערך קבוע של 9.8 מ / ש2. (הביטוי "g הקטן" מבדיל קבוע זה מקבוע אחר בכבידה חשוב, ז, או "G גדול", החל על חוק הכבידה האוניברסאלי.) כל חפץ שיוטל בסמוך לפני השטח של כדור הארץ ייפול לכיוון מרכז כדור הארץ בקצב הולך וגובר, כשכל שנייה הולכת 9.8 מ '/ ש' יותר מהר מ השנייה שלפני.
על כדור הארץ, כוח הכובד על עצם מסה M פועל עזר לגוף שני:
וgrav = מ"ג
דוגמה בכבידה
אסטרונאוטים מגיעים לכוכב לכת רחוק ומגלים שלוקח לו כוח פי שמונה כדי להרים שם חפצים מאשר הוא עושה על כדור הארץ. מה התאוצה כתוצאה מכוח המשיכה בכוכב הלכת הזה?
בכוכב הלכת זה כוח הכובד גדול פי שמונה. מכיוון שהמוני חפצים הם תכונה בסיסית של אותם אובייקטים, הם לא יכולים להשתנות, זה אומר הערך של ז חייב להיות גדול פי שמונה גם:
8Fgrav = מ '(8 גרם)
הערך של ז על כדור הארץ הוא 9.8 מ / ש2, כך 8 × 9.8 m / s2 = 78.4 מטר / שניה2.
חוק הכבידה של ניוטון
השני בחוקי ניוטון החלים על הבנת כוח המשיכה בפיזיקה נבע מתמוהה של ניוטון דרך ממצאים של פיסיקאים אחרים. הוא ניסה להסביר מדוע לכוכבי הלכת של מערכות השמש יש מסלולים אליפטיים ולא מסלולים מעגליים, כפי שנצפה ומתואר מתמטית על ידי יוהנס קפלר במערכת החוקים המפורסמים שלו.
ניוטון קבע כי אטרקציות הכבידה בין כוכבי הלכת ככל שהתקרבו והתרחקו זו מזו, שיחקו לתנועת הכוכבים. כוכבי הלכת הללו היו למעשה בנפילה חופשית. הוא כמת את האטרקציה הזו שלו חוק הכבידה האוניברסאלי:
F_ {grav} = G frac {m_1m_2} {r ^ 2}איפה וgrav _again הוא כוח הכובד בניוטון (N), _m1 ו M2 הם המוני האובייקטים הראשון והשני, בהתאמה, בקילוגרמים (ק"ג) (למשל, מסת כדור הארץ ומסת האובייקט ליד כדור הארץ), ו ד2 הוא ריבוע המרחק ביניהם במטר (m).
המשתנה ז, המכונה "G גדול", הוא קבוע הכבידה האוניברסאלי. זה יש אותו ערך בכל מקום ביקום. ניוטון לא גילה את ערכו של ג'י (הנרי קוונדיש מצא את זה באופן ניסיוני לאחר מותו של ניוטון), אך הוא מצא את מידתיות הכוח למיסה ולמרחק בלעדיו.
המשוואה מראה שני מערכות יחסים חשובות:
תיאוריה של ניוטון ידועה גם כ- חוק הריבוע המהופך בגלל הנקודה השנייה לעיל. זה מסביר מדוע משיכת הכבידה בין שני עצמים נופלת במהירות כשהם נפרדים, מהר הרבה יותר מאשר אם משנים את המסה של אחד משניהם או של שניהם.
דוגמה עם חוק הכבידה של ניוטון האוניברסלי
מה כוח המשיכה בין שביט של 8,000 ק"ג שנמצא במרחק 70,000 מ 'משביט של 200 ק"ג?
להתחיל {מיושר} F_ {grav} & = 6.674 × 10 ^ {- 11} frac {m ^ 3} {kg ^ 2} ( dfrac {8,000 kg × 200 kg} {70,000 ^ 2}) & = 2.18 × 10 ^ {- 14} סוף {מיושר}תורת היחסות הכללית של אלברט איינשטיין
ניוטון עשה עבודה מדהימה וניבאה את תנועת העצמים וכמת את כוח הכובד בשנות ה- 1600. אבל בערך 300 שנה לאחר מכן, מוח גדול אחר - אלברט איינשטיין - אתגר את החשיבה הזו בדרך חדשה ובאופן מדויק יותר להבנת כוח הכבידה.
לדברי איינשטיין, כוח המשיכה הוא עיוות של זמן חופשי, מרקם היקום עצמו. המוני עיוות חלל, כמו כדור באולינג יוצר כניסה על סדין המיטה, וחפצים מאסיביים יותר כמו כוכבים או חורים שחורים עיוות חלל עם השפעות שנצפות בקלות בטלסקופ - כיפוף האור או שינוי תנועה של עצמים הקרובים להמונים ההם. .
תיאוריית היחסות הכללית של איינשטיין הוכיחה את עצמה באופן מפורש על ידי הסבר מדוע למרקורי, כוכב הלכת הזעיר הקרוב ביותר לשמש במערכת השמש שלנו, יש מסלול עם הבדל מדיד ממה שחזוי חוקי ניוטון.
בעוד היחסות הכללית מדויקת יותר בהסבר כוח המשיכה מאשר חוקי ניוטון, ההבדל בחישובים המשתמשים באחד מהם מורגש לרוב רק בסולם "רלטיביסטי" - מסתכל על עצמים מאסיביים במיוחד בקוסמוס, או במהירויות האור כמעט. לכן חוקים בניוטון נותרים שימושיים ורלוונטיים כיום בתיאור מצבים רבים בעולם האמיתי שאדם הממוצע עשוי להיתקל בהם.
כוח המשיכה חשוב
החלק "האוניברסאלי" של חוק הכבידה של ניוטון האוניברסלי אינו היפרבולי. חוק זה חל על כל מה שיש ביקום במסה! שני חלקיקים מושכים זה את זה, וכך גם שתי הגלקסיות. כמובן שבמרחקים גדולים מספיק, האטרקציה הופכת קטנה כל כך להיות אפסית באופן יעיל.
בהתחשב עד כמה חשובה כוח הכבידה לתיאור איך כל החומר מתקשר, ההגדרות האנגלית המשמעותיות של כוח משיכה (על פי אוקספורד: "חשיבות קיצונית או מדאיגה; רצינות") או גרביטות ("כבוד, רצינות או חגיגיות בדרך") מקבלים משמעות נוספת. עם זאת, כשמישהו מתייחס ל"חומרת המצב ", יכול פיזיקאי עדיין להזדקק לבירור: האם הם מתכוונים במונחים של G גדול או G קטן?