A fizika iskolai kurzusának tanulmányozása során a mechanika szekció egyik fontos témája az egyetemes gravitáció törvénye. Ebben a cikkben közelebbről megvizsgáljuk, mi ez, és milyen matematikai képlettel írják le, valamint példákat adunk a gravitációs erőre a mindennapi emberi életben és a kozmikus léptékben.
Ki fedezte fel a gravitáció törvényét
Mielőtt példákat mondanánk a gravitációs erőre, írjuk le röviden, hogy kinek köszönheti felfedezését.
Ősidők óta az emberek megfigyelték a csillagokat és a bolygókat, és tudták, hogy bizonyos pályákon mozognak. Ezen túlmenően, aki nem rendelkezett speciális ismeretekkel, az megértette, hogy bármilyen messzire és magasra dobott egy követ vagy más tárgyat, az mindig a földre esett. De egyik ember sem sejtette, hogy a Földön és az égitesteken zajló folyamatokat ugyanaz a természeti törvény szabályozza.
1687-ben Sir Isaac Newton publikált egy tudományos munkát, amelyben először vázolta fel a matematikaiaz egyetemes gravitáció törvényének megfogalmazása. Természetesen Newton nem önállóan jutott erre a megfogalmazásra, amelyet személyesen is felismert. Felhasználta kortársai néhány elképzelését (például a testek közötti vonzási erő távolságának négyzetével fordított arányosság létezését), valamint a bolygók pályáiról felhalmozott kísérleti tapasztalatokat (Kepler három törvények). Newton zsenialitása abban mutatkozott meg, hogy az összes rendelkezésre álló tapasztalat elemzése után a tudós egy koherens és a gyakorlatban is alkalmazható elmélet formájában tudta megfogalmazni.
Gravitációs képlet
Az egyetemes gravitáció törvénye a következőképpen fogalmazható meg röviden: az Univerzum minden teste között vonzóerő van, amely fordítottan arányos a tömegközéppontok távolságának négyzetével és egyenesen arányos a szorzattal maguk a testek tömegeinek. Két m1 és m2 tömegű testre, amelyek egymástól r távolságra vannak, a vizsgált törvényt a következőképpen írjuk:
F=Gm1m2/r2.
Itt G a gravitáció állandója.
A vonzási erő ezzel a képlettel minden esetben kiszámítható, ha a testek közötti távolságok méretükhöz képest elég nagyok. Ellenkező esetben, valamint erős gravitáció körülményei között nagy tömegű űrobjektumok (neutroncsillagok, fekete lyukak) közelében is az Einstein által kidolgozott relativitáselméletet kell használni. Ez utóbbi a gravitációt a téridő torzulásának eredményeként tekinti. Newton klasszikus törvényébenA gravitáció a testek valamilyen energiamezővel, például elektromos vagy mágneses térrel való kölcsönhatásának eredménye.
A gravitáció megnyilvánulása: példák a mindennapi életből
Először is, példaként megnevezhetünk egy bizonyos magasságból zuhanó testeket. Például egy levél vagy a híres alma a fáról, egy kő hullása, esőcseppek, hegyi földcsuszamlások és földcsuszamlások. Ezekben az esetekben a testek bolygónk középpontja felé hajlanak.
Másodszor, amikor egy tanár arra kéri a tanulókat, hogy „hozzunk példákat a gravitációra”, emlékezniük kell arra is, hogy minden testnek van súlya. Amikor a telefon az asztalon van, vagy ha valakit a mérlegen mérnek, ezekben az esetekben a test megnyomja a támaszt. A testsúly szemléletes példája a gravitációs erő megnyilvánulásának, amely a támasz reakciójával együtt olyan erőpárt alkot, amely kiegyensúlyozza egymást.
Ha az előző bekezdés képletét használjuk a földi viszonyokra (behelyettesítjük a bolygó tömegét és sugarát), akkor a következő kifejezést kaphatjuk:
F=mg
Ezt használják a gravitációval kapcsolatos problémák megoldására. Itt g az a gyorsulás, amely minden testnek adott, függetlenül azok tömegétől, szabadesésben. Ha nem lenne légellenállás, akkor egy nehéz kő és egy könnyű toll egyszerre esne le ugyanabból a magasságból.
Gravitáció az Univerzumban
Mindenki tudja, hogy a Föld más bolygókkal együtt a Nap körül kering. Viszont a Nap, benne lévéna Tejútrendszer spirálgalaxisának egyik karja, csillagok százmillióival együtt forog középpontja körül. Maguk a galaxisok is úgynevezett lokális halmazokban közelednek egymáshoz. Ha visszamegyünk egy léptékben, akkor emlékeznünk kell a bolygóik körül keringő műholdakra, az ezekre a bolygókra eső vagy elrepülő aszteroidákra. Mindezekre az esetekre emlékezhetünk, ha a tanár megkérdezi a tanulókat: „Adjon példákat a gravitációs erőre.”
Megjegyezzük, hogy az elmúlt évtizedekben a kozmikus léptékű főerő kérdése megkérdőjeleződött. A helyi térben ez kétségtelenül a gravitációs erő. Ha azonban a kérdést a galaxis szintjén tekintjük, egy másik, a sötét anyaghoz kapcsolódó, egyelőre ismeretlen erő lép életbe. Ez utóbbi antigravitációként nyilvánul meg.
