Newtoni gravitatsiooniseaduse põhimõtted

Newtoni omad gravitatsiooniseadus määratleb atraktiivne jõud kõigi objektide vahel, millel on mass. Raskusjõuseaduse mõistmine, üks neist füüsika põhijõud, pakub põhjalikku teavet meie universumi toimimisest.

Kuulus lugu, mis Isaac Newton tuli välja idee gravitatsiooniseaduse kohta, kui õun kukkus talle pähe, see pole tõsi, kuigi ta hakkas oma ema talus selle teema peale mõtlema, kui nägi õuna kukkumist a puu. Ta mõtles, kas sama jõud õuna peal töötades oli ka kuu peal. Kui jah, siis miks kukkus õun Maale ja mitte Kuule?

Koos temaga Kolm liikumisseadust, Kirjeldas Newton oma raskusseadust ka 1687. aasta raamatus Philosophiae naturalis principia mateica (loodusfilosoofia matemaatilised põhimõtted), mida tavaliselt nimetatakse Principia.

Johannes Kepler (saksa füüsik, 1571-1630) oli välja töötanud kolm seadust, mis reguleerivad viie tollal tuntud planeedi liikumist. Tal ei olnud seda liikumist reguleerivate põhimõtete teoreetilist mudelit, vaid ta saavutas need õpingute jooksul katse-eksituse meetodil. Newtoni töö oli pea sajand hiljem võtta tema väljatöötatud liikumisseadused ja rakendada neid planeetide liikumisel, et töötada välja selle planeetide liikumise range matemaatiline raamistik.

Newton jõudis lõpuks järeldusele, et tegelikult mõjutasid õuna ja kuud üks ja sama jõud. Ta nimetas seda jõu gravitatsiooni (või gravitatsiooni) ladina sõna järel gravitas mis tähendab sõna-sõnalt "raskust" või "raskust".

Aastal Principia, Määratles Newton gravitatsioonijõu järgmiselt (ladina keelest tõlgituna):

Kõik universumi mateeriaosakesed tõmbavad kõiki teisi osakesi jõuga, mis on otseselt proportsionaalne osakeste massi korrutise suhtes ja pöördvõrdeline nende vahelise kauguse ruuduga neid.

Matemaatiliselt tähendab see jõu võrrandit:

F_G = Gm₁m₂/ r²

Selles võrrandis määratletakse kogused järgmiselt:

• F_g = Gravitatsioonijõud (tavaliselt njuutonites)
• G = gravitatsioonikonstant, mis lisab võrrandile õige proportsionaalsuse taseme. Väärtus G on 6,667259 x 10^-11 N * m² / kg², kuigi muude ühikute kasutamisel väärtus muutub.
• m₁ & m₁ = Kahe osakese mass (tavaliselt kilogrammides)
• r = Kahe osakese vaheline sirgjooneline kaugus (tavaliselt meetrites)

See võrrand annab meile jõu suuruse, mis on atraktiivne jõud ja on seetõttu alati suunatud poole teine ​​osake. Newtoni kolmanda liikumisseaduse kohaselt on see jõud alati võrdne ja vastupidine. Newtoni kolm liikumisseadust annavad meile vahendid jõu põhjustatud liikumise tõlgendamiseks ja näeme, et osake koos väiksem mass (mis võib olla väiksem osake, sõltuvalt nende tihedusest) võib kiireneda rohkem kui teine osake. Seetõttu kukuvad kerged objektid Maale märkimisväärselt kiiremini kui Maa nende poole kukub. Sellegipoolest on valguse objektile ja Maale mõjuv jõud ühesuguse suurusega, isegi kui see just nii välja ei paista.

Samuti on oluline märkida, et jõud on pöördvõrdeline objektide vahelise kauguse ruuduga. Kui objektid asuvad üksteisest kaugemal, langeb gravitatsiooni jõud väga kiiresti. Enamikul vahemaadest on ainult väga suure massiga objektid, näiteks planeedid, tähed, galaktikad ja mustad augud avaldada olulist gravitatsiooniefekti.

Objektis, mis koosneb palju osakesi, iga osake interakteerub teise objekti kõigi osakestega. Kuna me teame, et jõud (sealhulgas gravitatsiooni) on vektorkogused, võime neid jõude vaadelda kui komponente, mis asuvad kahe objekti paralleelses ja risti. Mõnedes objektides, näiteks ühtlase tihedusega sfäärides, kustutavad jõu risti olevad komponendid üksteist, nii et me võime käsitleda objekte justkui punktiosakestena, käsitledes ennast ainult nendevahelise võrgujõuga.

Objekti raskuskese (mis on üldiselt identne selle massikeskmega) on sellistes olukordades kasulik. Vaatleme gravitatsiooni ja teostame arvutusi nii, nagu oleks kogu objekti mass fokuseeritud raskuskeskmesse. Lihtsa kujuga - kerad, ümmargused kettad, ristkülikukujulised plaadid, kuubikud jne. - see punkt asub objekti geomeetrilises keskpunktis.

See idealiseeritud mudel gravitatsiooni interaktsiooni saab rakendada enamikes praktilistes rakendustes, ehkki mõnedes esoteerilistes Sellistes olukordades nagu ebaühtlane gravitatsiooniväli võib olla vajalik edasine hoolitsus täpsus.

• Newtoni gravitatsiooniseadus
• Gravitatsiooniväljad
• Gravitatsiooniline potentsiaalne energia
• Gravitatsioon, kvantfüüsika ja üldine relatiivsus

Sir Isaac Newtoni universaalse gravitatsiooni seadust (s.o gravitatsiooni seadust) saab ümber kujundada gravitatsiooniväli, mis võib osutuda kasulikuks vahendiks olukorra vaatamisel. Selle asemel, et iga kord kahe objekti vahel jõudusid arvutada, ütleme selle asemel, et massiga objekt loob selle ümber gravitatsioonivälja. Gravitatsiooniväli on määratletud kui gravitatsioonijõud antud punktis jagatud objekti massiga selles punktis.

Mõlemad g ja Fg nende kohal on nooled, mis tähistavad nende vektorlikku olemust. Lähte mass M on nüüd suurtähtedega kirjutatud. r kahe parempoolseima valemi lõpus on selle kohal karaat (^), mis tähendab, et see on ühikvektor massi lähtepunkti suunas M. Kuna vektor on suunatud allikast eemale, samal ajal kui jõud (ja väli) on suunatud allika poole, sisestatakse negatiivne, et vektorid suunaksid õiges suunas.

See võrrand kujutab a vektorväli ümber M mis on alati suunatud selle poole ja mille väärtus võrdub objekti gravitatsioonikiirendusega väljal. Gravitatsioonivälja ühikud on m / s2.

• Newtoni gravitatsiooniseadus
• Gravitatsiooniväljad
• Gravitatsiooniline potentsiaalne energia
• Gravitatsioon, kvantfüüsika ja üldine relatiivsus

Kui objekt liigub gravitatsiooniväljas, tuleb tööd teha selle ühest kohast teise jõudmiseks (alguspunkt 1 kuni lõpp-punkt 2). Kalkulatsiooni abil võtame jõu integraali lähteasendist lõppasendisse. Kuna gravitatsioonikonstandid ja massid püsivad muutumatuna, osutub integraal lihtsalt 1 / r2 korrutatud konstantidega.

Me määratleme gravitatsioonilise potentsiaalse energia, U, selline, et W = U1 - U2. Nii saadakse Maa jaoks võrrand paremale (massiga 5) mE. Mõnes muus gravitatsiooniväljas mE asendataks muidugi vastava massiga.

Kuna me teame kaasnevaid koguseid, siis maakeral ka potentsiaalset gravitatsioonilist energiat U saab taandada massi suhtes võrrandiks m objekti raskuskiirenduse (g = 9,8 m / s) ja vahemaa y koordinaatide lähtepunkti kohal (üldjuhul maapinnal raskusjõu probleemis). See lihtsustatud võrrand annab gravitatsiooniline potentsiaalne energia :

U = mgy

Raskusjõu rakendamisel Maale on veel mõned üksikasjad, kuid see on oluline gravitatsioonilise potentsiaalse energia osas.

Pange tähele, et kui r muutub suuremaks (objekt läheb kõrgemaks), gravitatsioonipotentsiaalienergia suureneb (või muutub vähem negatiivseks). Kui objekt liigub madalamale, jõuab see Maale lähemale, seega gravitatsioonipotentsiaalienergia väheneb (muutub negatiivsemaks). Lõpmatu erinevuse korral läheb gravitatsioonipotentsiaalienergia nulli. Üldiselt hoolime tegelikult ainult sellest erinevus potentsiaalses energias, kui objekt liigub gravitatsiooniväljas, nii et see negatiivne väärtus ei valmista muret.

Seda valemit rakendatakse energia arvutamisel gravitatsiooniväljas. Energiavormina allub gravitatsiooniline potentsiaalne energia energia säästmise seadusele.

Gravitatsiooni indeks:

• Newtoni gravitatsiooniseadus
• Gravitatsiooniväljad
• Gravitatsiooniline potentsiaalne energia
• Gravitatsioon, kvantfüüsika ja üldine relatiivsus

Kui Newton esitas oma gravitatsiooniteooria, polnud tal jõu toimimise mehhanismi. Objektid tõmbasid üksteist mööda hiiglaslikke tühja ruumi lahte, mis näisid olevat vastuolus kõigega, mida teadlased eeldavad. Teoreetiline raamistik selgitaks piisavalt üle kahe sajandi miks Newtoni teooria töötas tegelikult.

Tema Üldise relatiivsusteooria, Seletas Albert Einstein gravitatsiooni kui kosmoseaja kumerust mis tahes massi ümber. Suurema massiga objektid põhjustasid suurema kumeruse ja ilmutasid seega suuremat gravitatsioonilist tõmmet. Seda on toetanud uuringud, mis on näidanud, et valgus kõverub tegelikult massiivsete objektide, näiteks päikese, ümber ennustaks see teooria, kuna ruum ise kõverdub selles kohas ja valgus liigub läbi kõige lihtsama tee ruumi. Teooria on detailsem, kuid see on peamine punkt.

Praegused pingutused 2006 kvantfüüsika üritavad kõiki ühendada füüsika põhijõud üheks ühendatud jõuks, mis avaldub erineval viisil. Siiani on gravitatsioon osutunud suurimaks takistuseks ühinenud teooriasse integreerumisel. Selline kvantgravitatsiooni teooria ühendaks lõpuks üldrelatiivsuse kvantmehaanikaga ühtseks, sujuvaks ja elegantseks vaateks, mille kohaselt kogu loodus toimib osakeste interaktsiooni ühe põhitüübi all.

Valdkonnas kvantgravitatsioon, teoreetiliselt eksisteerib virtuaalne osake, mille nimi on a graviton see vahendab gravitatsioonijõudu, kuna nii toimivad ülejäänud kolm põhijõud (või üks jõud, kuna nad on juba sisuliselt ühendatud). Gravitatsiooni ei ole aga katseliselt täheldatud.

See artikkel on käsitlenud gravitatsiooni aluspõhimõtteid. Gravitatsiooni kaasamine kinemaatika ja mehaanika arvutustesse on üsna lihtne, kui olete aru saanud, kuidas tõlgendada gravitatsiooni Maa pinnal.

Newtoni peamine eesmärk oli selgitada planeetide liikumist. Nagu varem mainitud, Johannes Kepler oli välja töötanud kolm planeetide liikumise seadust ilma Newtoni gravitatsiooniseadust kasutamata. Need on osutunud täiesti järjepidevaks ja Newtoni universaalse gravitatsiooni teooria abil saab kõiki Kepleri seadusi tõestada.