Gravitasi adalah kekuatan paling misterius di alam semesta. Para ilmuwan belum sepenuhnya mengetahui sifatnya. Dialah yang menjaga planet-planet tata surya tetap mengorbit. Ini adalah gaya yang terjadi antara dua benda dan bergantung pada massa dan jarak.
Gravitasi disebut dengan gaya tarik menarik atau gravitasi. Dengan bantuannya, sebuah planet atau benda lain menarik benda-benda ke arah pusatnya. Gravitasi membuat planet-planet tetap mengorbit mengelilingi Matahari.
Apa lagi yang dilakukan gravitasi?
Mengapa Anda mendarat di tanah ketika Anda melompat, bukannya melayang ke angkasa? Mengapa benda jatuh saat dilempar? Jawabannya adalah gaya gravitasi tak kasat mata yang menarik benda-benda ke arah satu sama lain. Gravitasi bumilah yang membuat Anda tetap membumi dan membuat benda-benda terjatuh.
Segala sesuatu yang mempunyai massa mempunyai gravitasi. Kekuatan gravitasi bergantung pada dua faktor: massa benda dan jarak antara keduanya. Jika kamu memungut batu dan bulu lalu melepaskannya dari ketinggian yang sama, maka kedua benda tersebut akan jatuh ke tanah. Batu yang berat akan jatuh lebih cepat dari pada bulu. Bulunya akan tetap menggantung di udara karena lebih ringan. Benda yang bermassa lebih besar mempunyai gaya gravitasi yang lebih kuat, yang semakin lemah seiring bertambahnya jarak: semakin dekat benda satu sama lain, semakin kuat tarikan gravitasinya.
Gravitasi di Bumi dan di Alam Semesta
Selama penerbangan pesawat, orang-orang yang berada di dalamnya tetap berada di tempatnya dan dapat bergerak seolah-olah di darat. Hal ini terjadi karena jalur penerbangan. Ada pesawat terbang yang dirancang khusus yang pada ketinggian tertentu tidak ada gravitasi, sehingga tidak berbobot. Pesawat melakukan manuver khusus, massa benda berubah, dan benda tersebut terangkat ke udara dalam waktu singkat. Setelah beberapa detik, medan gravitasi pulih.
Mengingat gaya gravitasi di Luar Angkasa, bumi memiliki gaya gravitasi yang lebih besar dibandingkan kebanyakan planet. Lihat saja pergerakan astronot saat mendarat di planet. Jika kita berjalan dengan tenang di bumi, maka para astronot seolah-olah melayang di udara, tetapi tidak terbang ke luar angkasa. Artinya planet ini juga memiliki gaya gravitasi, hanya saja berbeda sedikit dengan planet Bumi.
Gaya gravitasi Matahari begitu kuat sehingga menampung sembilan planet, banyak satelit, asteroid, dan planet.
Gravitasi memainkan peran penting dalam perkembangan Alam Semesta. Tanpa adanya gravitasi, tidak akan ada bintang, planet, asteroid, lubang hitam, atau galaksi. Menariknya, lubang hitam sebenarnya tidak terlihat. Para ilmuwan menentukan tanda-tanda lubang hitam berdasarkan kekuatan medan gravitasi di suatu daerah tertentu. Jika sangat kuat dengan getaran yang kuat, ini menunjukkan adanya lubang hitam.
Mitos 1. Tidak ada gravitasi di luar angkasa
Menonton film dokumenter tentang astronot, seolah-olah mereka sedang melayang di atas permukaan planet. Hal ini terjadi karena gravitasi di planet lain lebih rendah dibandingkan di Bumi, sehingga para astronot berjalan seolah-olah melayang di udara.
Mitos 2. Semua benda yang mendekati lubang hitam akan terkoyak
Lubang hitam sangat kuat dan menghasilkan medan gravitasi yang kuat. Semakin dekat suatu objek dengan lubang hitam, semakin kuat gaya pasang surut dan gravitasinya. Perkembangan peristiwa lebih lanjut bergantung pada massa objek, ukuran lubang hitam, dan jarak antar objek. Lubang hitam memiliki massa yang berbanding terbalik dengan ukurannya. Menariknya, semakin besar lubangnya, semakin lemah gaya pasang surutnya dan sebaliknya. Dengan demikian, tidak semua benda terkoyak saat memasuki medan lubang hitam.
Mitos 3. Satelit buatan bisa mengorbit bumi selamanya
Secara teoritis, bisa dikatakan demikian, jika bukan karena pengaruh faktor sekunder. Banyak hal bergantung pada orbitnya. Di orbit rendah, satelit tidak akan bisa terbang selamanya karena pengereman atmosfer; di orbit tinggi, satelit bisa tetap tidak berubah untuk waktu yang cukup lama, tetapi di sini gaya gravitasi benda lain mulai berlaku.
Andai saja Bumi ada di antara semua planet, satelit akan tertarik padanya dan praktis tidak mengubah lintasannya. Namun pada orbit yang tinggi, objek tersebut dikelilingi oleh banyak planet, besar dan kecil, masing-masing dengan gaya gravitasinya sendiri.
Dalam hal ini, satelit secara bertahap akan menjauh dari orbitnya dan bergerak secara kacau. Dan, kemungkinan besar setelah beberapa waktu, ia akan jatuh ke permukaan terdekat atau berpindah ke orbit lain.
Beberapa fakta
- Di beberapa bagian bumi, gaya gravitasi lebih lemah dibandingkan di seluruh planet. Misalnya di Kanada, di kawasan Teluk Hudson, gaya gravitasinya lebih rendah.
- Ketika para astronot kembali dari luar angkasa ke planet kita, pada awalnya mereka merasa kesulitan untuk beradaptasi dengan gaya gravitasi bumi. Terkadang ini memakan waktu beberapa bulan.
- Lubang hitam memiliki gaya gravitasi paling kuat di antara benda-benda luar angkasa. Satu lubang hitam seukuran bola memiliki kekuatan lebih besar dari planet mana pun.
Meskipun studi tentang gaya gravitasi terus dilakukan, gravitasi masih belum terpecahkan. Artinya, pengetahuan ilmiah masih terbatas dan umat manusia harus banyak belajar.
Di alam, hanya empat gaya fundamental utama yang diketahui (disebut juga interaksi utama) - interaksi gravitasi, interaksi elektromagnetik, interaksi kuat dan interaksi lemah.
Interaksi gravitasi adalah yang terlemah dari semuanya.Gaya gravitasimenghubungkan bagian-bagian bumi bersama-sama dan interaksi yang sama ini menentukan peristiwa-peristiwa berskala besar di Alam Semesta.
Interaksi elektromagnetik memegang elektron dalam atom dan mengikat atom menjadi molekul. Manifestasi khusus dari kekuatan-kekuatan ini adalahPasukan Coulomb, bekerja antara muatan listrik stasioner.
Interaksi yang kuat mengikat nukleon dalam inti. Interaksi ini adalah yang terkuat, tetapi hanya terjadi pada jarak yang sangat pendek.
Interaksi yang lemah bekerja antar partikel elementer dan memiliki jangkauan yang sangat pendek. Itu terjadi selama peluruhan beta.
4.1.Hukum gravitasi universal Newton
Di antara dua titik material terdapat gaya tarik-menarik yang berbanding lurus dengan hasil kali massa titik-titik tersebut ( M Dan M ) dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara keduanya ( r 2 ) dan diarahkan sepanjang garis lurus yang melewati benda-benda yang berinteraksiF= (GmM/r 2) R Hai ,(1)
Di Sini R Hai - vektor satuan ditarik searah dengan gaya F(Gbr. 1a).
Kekuatan ini disebut gaya gravitasi(atau kekuatan gravitasi universal). Gaya gravitasi selalu merupakan gaya tarik menarik. Kekuatan interaksi antara dua benda tidak bergantung pada lingkungan di mana benda tersebut berada.
G 1 G 2
Gambar.1a Gambar.1b Gambar.1c
Konstanta G disebut konstanta gravitasi. Nilainya ditentukan secara eksperimental: G = 6,6720. 10 -11 N. m 2 / kg 2 - mis. dua benda titik yang beratnya masing-masing 1 kg, terletak pada jarak 1 m satu sama lain, ditarik dengan gaya 6,6720. 10 -11 N. Nilai G yang sangat kecil memungkinkan kita untuk berbicara tentang kelemahan gaya gravitasi - gaya tersebut harus diperhitungkan hanya dalam kasus massa yang besar.
Massa yang termasuk dalam persamaan (1) disebut massa gravitasi. Hal ini menekankan bahwa, pada prinsipnya, massa termasuk dalam hukum kedua Newton ( F= saya masuk A) dan hukum gravitasi universal ( F=(Gm gr M gr /r 2) R Hai), mempunyai sifat yang berbeda. Namun, telah diketahui bahwa rasio m gr / m in untuk semua benda adalah sama dengan kesalahan relatif hingga 10 -10.
4.2.Medan gravitasi (gravitational field) suatu titik material
Hal ini diyakini bahwa interaksi gravitasi dilakukan dengan menggunakan medan gravitasi (medan gravitasi), yang dihasilkan oleh tubuh itu sendiri. Dua karakteristik bidang ini diperkenalkan: vektor - dan skalar - potensi medan gravitasi.
4.2.1.Kekuatan medan gravitasi
Mari kita punya titik material bermassa M. Dipercaya bahwa medan gravitasi muncul di sekitar massa ini. Ciri kekuatan bidang tersebut adalah kekuatan medan gravitasiG, yang ditentukan dari hukum gravitasi universal G= (GM/r 2) R Hai ,(2)
Di mana R Hai - vektor satuan yang ditarik dari suatu titik material searah dengan gaya gravitasi. Kekuatan medan gravitasi Gadalah besaran vektor dan merupakan percepatan yang diperoleh massa titik M, dibawa ke medan gravitasi yang diciptakan oleh massa titik M. Memang, dengan membandingkan (1) dan (2), kita memperoleh kasus persamaan massa gravitasi dan inersia F=m G.
Mari kita tekankan hal itu besar dan arah percepatan yang diterima suatu benda yang dimasukkan ke dalam medan gravitasi tidak bergantung pada besar massa benda yang dimasukkan.. Karena tugas utama dinamika adalah menentukan besarnya percepatan yang diterima suatu benda di bawah pengaruh gaya luar, maka akibatnya, kekuatan medan gravitasi secara lengkap dan jelas menentukan karakteristik gaya medan gravitasi. Ketergantungan g(r) ditunjukkan pada Gambar 2a.
Gambar.2a Gambar.2b Gambar.2c
Bidang itu disebut pusat, jika di semua titik medan vektor intensitas diarahkan sepanjang garis lurus yang berpotongan di satu titik, stasioner terhadap sistem acuan inersia. Secara khusus, medan gravitasi suatu titik material adalah pusat: di semua titik medan terdapat vektor GDan F=m G, yang bekerja pada benda yang dibawa ke medan gravitasi diarahkan secara radial dari massa M , menciptakan bidang, ke suatu titik massa M (Gbr. 1b).
Hukum gravitasi universal dalam bentuk (1) berlaku untuk benda yang diambil sebagai titik material, yaitu. untuk benda-benda yang dimensinya kecil dibandingkan dengan jarak antara mereka. Jika ukuran benda tidak dapat diabaikan, maka benda tersebut harus dibagi menjadi unsur-unsur titik, gaya tarik-menarik antara semua unsur yang diambil berpasangan harus dihitung dengan menggunakan rumus (1), kemudian dijumlahkan secara geometris. Kuat medan gravitasi suatu sistem yang terdiri dari titik-titik material bermassa M 1, M 2, ..., M n sama dengan jumlah kuat medan dari masing-masing massa tersebut secara terpisah ( prinsip superposisi medan gravitasi ): G=G Saya, Di mana G Saya= (GM saya /r saya 2) R o saya - kekuatan medan satu massa M i.
Representasi grafis dari medan gravitasi menggunakan vektor tegangan G pada titik-titik berbeda di lapangan sangat merepotkan: untuk sistem yang terdiri dari banyak titik material, vektor intensitas saling tumpang tindih dan diperoleh gambaran yang sangat membingungkan. Itu sebabnya untuk representasi grafis dari penggunaan medan gravitasi garis gaya (garis tegangan), yang dilakukan sedemikian rupa sehingga vektor tegangan diarahkan secara tangensial terhadap garis medan. Garis tegangan dianggap berarah seperti vektor G(Gbr. 1c), itu. garis gaya berakhir pada titik material. Karena pada setiap titik dalam ruang vektor tegangan hanya mempunyai satu arah, Itu garis ketegangan tidak pernah bersilangan. Untuk suatu titik material, garis-garis gaya adalah garis lurus radial yang memasuki titik tersebut (Gbr. 1b).
Untuk menggunakan garis intensitas untuk mengkarakterisasi tidak hanya arah, tetapi juga nilai kuat medan, garis-garis ini digambar dengan kepadatan tertentu: jumlah garis intensitas yang menembus suatu satuan luas permukaan yang tegak lurus terhadap garis intensitas harus sama dengan nilai mutlak vektor G.
Terhadap pertanyaan “Apakah kekuatan itu?” fisika menjawab sebagai berikut: “Gaya adalah ukuran interaksi benda-benda material satu sama lain atau antara benda-benda dan benda-benda material lainnya - medan fisik.” Semua gaya di alam dapat diklasifikasikan menjadi empat jenis interaksi mendasar: kuat, lemah, elektromagnetik, dan gravitasi. Artikel kami membahas tentang apa itu gaya gravitasi - ukuran interaksi terakhir dan, mungkin, yang paling luas di alam.
Mari kita mulai dengan gravitasi bumi
Setiap orang yang hidup mengetahui bahwa ada suatu gaya yang menarik benda-benda ke bumi. Ini biasanya disebut sebagai gravitasi, gravitasi, atau gravitasi. Berkat kehadirannya, manusia memiliki konsep “atas” dan “bawah” yang menentukan arah pergerakan atau letak suatu benda relatif terhadap permukaan bumi. Jadi dalam kasus tertentu, di permukaan bumi atau di dekatnya, gaya gravitasi memanifestasikan dirinya, yang menarik benda-benda bermassa satu sama lain, memanifestasikan pengaruhnya pada jarak berapa pun, baik kecil maupun sangat besar, bahkan menurut standar kosmik.
Gravitasi dan hukum ketiga Newton
Sebagaimana diketahui, gaya apa pun, jika dianggap sebagai ukuran interaksi benda fisik, selalu diterapkan pada salah satunya. Jadi dalam interaksi gravitasi benda satu sama lain, masing-masing benda mengalami jenis gaya gravitasi yang disebabkan oleh pengaruhnya masing-masing. Jika hanya ada dua benda (diasumsikan bahwa aksi benda lain dapat diabaikan), maka masing-masing benda, menurut hukum ketiga Newton, akan menarik benda lain dengan gaya yang sama. Sehingga Bulan dan Bumi saling tarik menarik sehingga mengakibatkan pasang surutnya lautan bumi.
Setiap planet di tata surya mengalami beberapa gaya gravitasi dari Matahari dan planet lain. Tentu saja, gaya gravitasi Mataharilah yang menentukan bentuk dan ukuran orbitnya, namun para astronom juga memperhitungkan pengaruh benda langit lainnya dalam perhitungan lintasan pergerakannya.
Manakah yang lebih cepat jatuh ke tanah dari ketinggian?
Ciri utama gaya ini adalah semua benda jatuh ke tanah dengan kecepatan yang sama, berapa pun massanya. Dahulu kala, hingga abad ke-16, diyakini bahwa yang terjadi adalah sebaliknya - benda yang lebih berat akan jatuh lebih cepat daripada benda yang lebih ringan. Untuk menghilangkan kesalahpahaman ini, Galileo Galilei harus melakukan eksperimen terkenalnya dengan menjatuhkan dua bola meriam dengan berat berbeda secara bersamaan dari Menara Miring Pisa. Bertentangan dengan ekspektasi para saksi percobaan, kedua inti mencapai permukaan pada waktu yang bersamaan. Saat ini, setiap anak sekolah mengetahui bahwa hal ini terjadi karena fakta bahwa gravitasi memberikan percepatan gravitasi yang sama pada benda mana pun g = 9,81 m/s 2 berapa pun massa m benda tersebut, dan nilainya menurut hukum kedua Newton adalah sama dengan F =mg.
Gaya gravitasi di Bulan dan di planet lain mempunyai nilai percepatan yang berbeda-beda. Namun, sifat aksi gravitasi pada mereka adalah sama.
Gravitasi dan berat badan
Jika gaya pertama diterapkan langsung ke benda itu sendiri, maka gaya kedua diterapkan ke penyangga atau suspensinya. Dalam situasi ini, gaya elastis selalu bekerja pada benda dari tumpuan dan suspensi. Gaya gravitasi yang diterapkan pada benda yang sama bekerja terhadapnya.
Bayangkan sebuah beban digantung di atas tanah oleh sebuah pegas. Dua gaya diterapkan padanya: gaya elastis pegas yang diregangkan dan gaya gravitasi. Menurut hukum III Newton, suatu beban bekerja pada pegas yang mempunyai gaya yang sama besar dan berlawanan dengan gaya elastis. Kekuatan ini akan menjadi bobotnya. Sebuah beban bermassa 1 kg mempunyai berat P = 1 kg ∙ 9,81 m/s 2 = 9,81 N (newton).
Gaya gravitasi: definisi
Teori gravitasi kuantitatif pertama, berdasarkan pengamatan gerak planet, dirumuskan oleh Isaac Newton pada tahun 1687 dalam “Principles of Natural Philosophy” yang terkenal. Ia menulis bahwa gaya gravitasi yang bekerja pada Matahari dan planet bergantung pada jumlah materi yang dikandungnya. Mereka menyebar dalam jarak yang jauh dan selalu mengecil sebagai kebalikan dari kuadrat jarak. Bagaimana kita menghitung gaya gravitasi ini? Rumus gaya F antara dua benda bermassa m 1 dan m 2 yang terletak pada jarak r adalah:
- F=Gm 1 m 2 /r 2 ,
dimana G adalah konstanta proporsionalitas, konstanta gravitasi.
Mekanisme fisik gravitasi
Newton tidak sepenuhnya puas dengan teorinya, karena teori tersebut mengasumsikan interaksi antara gaya tarik-menarik benda pada jarak tertentu. Orang Inggris yang hebat itu sendiri yakin bahwa pasti ada agen fisik yang bertanggung jawab untuk memindahkan tindakan dari satu tubuh ke tubuh lainnya, yang dengan jelas dia nyatakan dalam salah satu suratnya. Namun konsep medan gravitasi yang menembus seluruh ruang diperkenalkan baru muncul empat abad kemudian. Saat ini, berbicara tentang gravitasi, kita dapat berbicara tentang interaksi suatu benda (kosmik) dengan medan gravitasi benda lain, yang besarnya adalah gaya gravitasi yang timbul di antara setiap pasangan benda. Hukum gravitasi universal yang dirumuskan oleh Newton dalam bentuk di atas tetap benar dan didukung oleh banyak fakta.
Teori gravitasi dan astronomi
Ia sangat sukses diterapkan dalam menyelesaikan permasalahan mekanika angkasa selama abad ke-18 dan awal abad ke-19. Misalnya, ahli matematika D. Adams dan W. Le Verrier, yang menganalisis gangguan pada orbit Uranus, menyatakan bahwa ia dipengaruhi oleh gaya interaksi gravitasi dengan planet yang belum diketahui. Mereka menunjukkan perkiraan posisinya, dan Neptunus segera ditemukan di sana oleh astronom I. Galle.
Namun masih ada satu masalah. Le Verrier pada tahun 1845 menghitung bahwa orbit Merkurius mengalami presesi sebesar 35" per abad, berbeda dengan nilai nol presesi yang diperoleh dari teori Newton. Pengukuran selanjutnya memberikan nilai yang lebih akurat yaitu 43". (Presesi yang diamati sebenarnya adalah 570"/abad, namun perhitungan yang cermat untuk mengurangi pengaruh dari semua planet lain menghasilkan nilai 43".)
Baru pada tahun 1915 Albert Einstein mampu menjelaskan perbedaan ini dalam kerangka teori gravitasinya. Ternyata Matahari yang masif, seperti benda masif lainnya, membengkokkan ruang-waktu di sekitarnya. Efek ini menyebabkan penyimpangan pada orbit planet, tetapi di Merkurius, sebagai planet terkecil dan terdekat dengan bintang kita, efek ini paling terasa.
Massa inersia dan gravitasi
Seperti disebutkan di atas, Galileo adalah orang pertama yang mengamati bahwa benda jatuh ke tanah dengan kecepatan yang sama, berapa pun massanya. Dalam rumus Newton, konsep massa berasal dari dua persamaan berbeda. Hukum keduanya mengatakan bahwa gaya F yang diterapkan pada benda bermassa m memberikan percepatan menurut persamaan F = ma.
Namun, gaya gravitasi F yang diterapkan pada suatu benda memenuhi rumus F = mg, di mana g bergantung pada interaksi benda lain dengan benda tersebut (biasanya bumi jika kita berbicara tentang gravitasi). Dalam kedua persamaan m adalah koefisien proporsionalitas, tetapi dalam kasus pertama m adalah massa inersia, dan dalam kasus kedua adalah massa gravitasi, dan tidak ada alasan yang jelas mengapa keduanya harus sama untuk benda fisik apa pun.
Namun, semua percobaan menunjukkan bahwa hal ini memang benar adanya.
teori gravitasi Einstein
Dia mengambil fakta persamaan massa inersia dan gravitasi sebagai titik awal teorinya. Dia berhasil menyusun persamaan medan gravitasi, persamaan Einstein yang terkenal, dan dengan bantuan persamaan tersebut menghitung nilai yang benar untuk presesi orbit Merkurius. Mereka juga memberikan nilai terukur untuk pembelokan sinar cahaya yang lewat di dekat Matahari, dan tidak ada keraguan bahwa mereka memberikan hasil yang tepat untuk gravitasi makroskopis. Teori gravitasi Einstein, atau teori relativitas umum (GR) begitu ia menyebutnya, adalah salah satu kejayaan terbesar ilmu pengetahuan modern.
Apakah gaya gravitasi mengalami percepatan?
Jika Anda tidak dapat membedakan massa inersia dan massa gravitasi, maka Anda tidak dapat membedakan gravitasi dari percepatan. Eksperimen medan gravitasi dapat dilakukan di dalam elevator yang dipercepat tanpa adanya gravitasi. Ketika seorang astronot yang berada dalam roket melaju menjauh dari bumi, ia mengalami gaya gravitasi yang beberapa kali lebih besar daripada gaya gravitasi bumi, dan sebagian besar berasal dari percepatan.
Jika tidak ada yang bisa membedakan gravitasi dari percepatan, maka percepatan selalu dapat direproduksi dengan percepatan. Sistem yang percepatannya menggantikan gravitasi disebut sistem inersia. Oleh karena itu, Bulan yang mengorbit dekat Bumi juga dapat dianggap sebagai sistem inersia. Namun, sistem ini akan berbeda dari satu titik ke titik lainnya seiring dengan perubahan medan gravitasi. (Dalam contoh Bulan, medan gravitasi berubah arah dari satu titik ke titik lain.) Prinsip bahwa sistem inersia selalu dapat ditemukan di titik mana pun dalam ruang dan waktu di mana fisika mematuhi hukum tanpa adanya gravitasi disebut prinsip kesetaraan.
Gravitasi sebagai manifestasi sifat geometris ruang-waktu
Fakta bahwa gaya gravitasi dapat dianggap sebagai percepatan dalam sistem koordinat inersia yang berbeda dari satu titik ke titik lainnya berarti bahwa gravitasi adalah sebuah konsep geometri.
Kita mengatakan bahwa ruangwaktu itu melengkung. Misalkan sebuah bola berada pada permukaan datar. Benda tersebut akan diam atau, jika tidak ada gesekan, akan bergerak beraturan tanpa adanya gaya yang bekerja padanya. Jika permukaannya melengkung, bola akan mengalami percepatan dan bergerak ke titik terendah, mengambil jalur terpendek. Demikian pula, teori Einstein menyatakan bahwa ruang-waktu empat dimensi melengkung, dan sebuah benda bergerak dalam ruang melengkung ini sepanjang garis geodesik yang sesuai dengan jalur terpendek. Oleh karena itu, medan gravitasi dan gaya gravitasi yang bekerja di dalamnya pada benda fisik adalah besaran geometris yang bergantung pada sifat ruang-waktu, yang berubah paling kuat di dekat benda masif.
« Fisika - kelas 10"
Mengapa Bulan bergerak mengelilingi Bumi?
Apa yang terjadi jika bulan berhenti?
Mengapa planet-planet berputar mengelilingi Matahari?
Bab 1 membahas secara rinci bahwa bola bumi memberikan percepatan yang sama kepada semua benda di dekat permukaan bumi - percepatan gravitasi. Tetapi jika bola bumi memberikan percepatan pada benda, maka menurut hukum kedua Newton, bola tersebut bekerja pada benda tersebut dengan suatu gaya. Gaya yang digunakan bumi untuk bekerja pada suatu benda disebut gravitasi. Pertama kita akan menemukan gaya ini, dan kemudian kita akan mempertimbangkan gaya gravitasi universal.
Percepatan dalam nilai absolut ditentukan dari hukum kedua Newton:
Secara umum, hal ini bergantung pada gaya yang bekerja pada benda dan massanya. Karena percepatan gravitasi tidak bergantung pada massa, jelas bahwa gaya gravitasi harus sebanding dengan massa:
Besaran fisika adalah percepatan gravitasi, yang konstan untuk semua benda.
Berdasarkan rumus F = mg, Anda dapat menentukan metode sederhana dan praktis untuk mengukur massa benda dengan membandingkan massa suatu benda dengan satuan massa standar. Perbandingan massa dua benda sama dengan perbandingan gaya gravitasi yang bekerja pada benda:
Artinya massa benda adalah sama jika gaya gravitasi yang bekerja padanya sama.
Ini adalah dasar untuk menentukan massa dengan menimbang pada timbangan pegas atau tuas. Dengan memastikan bahwa gaya tekanan suatu benda pada suatu wadah timbangan, sama dengan gaya gravitasi yang diterapkan pada benda tersebut, diseimbangkan dengan gaya tekanan benda pada wadah timbangan lainnya, yang sama dengan gaya gravitasi yang diterapkan pada benda tersebut. beratnya, dengan demikian kita menentukan massa benda.
Gaya gravitasi yang bekerja pada suatu benda di dekat Bumi dapat dianggap konstan hanya pada garis lintang tertentu di dekat permukaan bumi. Jika benda diangkat atau dipindahkan ke suatu tempat dengan garis lintang yang berbeda, maka percepatan gravitasi, dan gaya gravitasi, akan berubah.
Kekuatan gravitasi universal.
Newton adalah orang pertama yang membuktikan secara tegas bahwa penyebab jatuhnya batu ke bumi, pergerakan Bulan mengelilingi Bumi dan planet-planet mengelilingi Matahari adalah sama. Ini kekuatan gravitasi universal, bertindak di antara benda mana pun di Alam Semesta.
Newton sampai pada kesimpulan bahwa jika bukan karena hambatan udara, maka lintasan batu yang dilempar dari gunung yang tinggi (Gbr. 3.1) dengan kecepatan tertentu bisa menjadi sedemikian rupa sehingga tidak akan pernah mencapai permukaan bumi sama sekali, tetapi akan bergerak mengelilinginya seperti cara planet menggambarkan orbitnya di ruang angkasa.
Newton menemukan alasan ini dan mampu mengungkapkannya secara akurat dalam bentuk satu rumus - hukum gravitasi universal.
Karena gaya gravitasi universal memberikan percepatan yang sama pada semua benda berapapun massanya, maka gaya tersebut harus sebanding dengan massa benda yang terkena gaya tersebut:
“Gravitasi ada untuk semua benda secara umum dan sebanding dengan massa masing-masing benda… semua planet tertarik satu sama lain…” I. Newton
Namun karena, misalnya, Bumi bekerja pada Bulan dengan gaya yang sebanding dengan massa Bulan, maka Bulan, menurut hukum ketiga Newton, harus bekerja pada Bumi dengan gaya yang sama. Apalagi gaya ini harus sebanding dengan massa bumi. Jika gaya gravitasi benar-benar universal, maka dari sisi suatu benda, suatu gaya harus bekerja pada benda lain yang sebanding dengan massa benda lain tersebut. Oleh karena itu, gaya gravitasi universal harus sebanding dengan hasil kali massa benda-benda yang berinteraksi. Dari sini berikut rumusan hukum gravitasi universal.
Hukum gravitasi universal:
Gaya tarik menarik antara dua benda berbanding lurus dengan hasil kali massa kedua benda tersebut dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara keduanya:
Faktor proporsionalitas G disebut konstanta gravitasi.
Konstanta gravitasi secara numerik sama dengan gaya tarik menarik antara dua titik material yang masing-masing bermassa 1 kg, jika jarak antara keduanya adalah 1 m. Memang, dengan massa m 1 = m 2 = 1 kg dan jarak r = 1 m, kita diperoleh G = F (secara numerik).
Perlu diingat bahwa hukum gravitasi universal (3.4) sebagai hukum universal berlaku untuk hal-hal material. Dalam hal ini, gaya interaksi gravitasi diarahkan sepanjang garis yang menghubungkan titik-titik tersebut (Gbr. 3.2, a).
Dapat ditunjukkan bahwa benda homogen yang berbentuk seperti bola (meskipun tidak dapat dianggap sebagai titik material, Gambar 3.2, b) juga berinteraksi dengan gaya yang ditentukan oleh rumus (3.4). Dalam hal ini, r adalah jarak antara pusat bola. Gaya tarik-menarik timbal balik terletak pada garis lurus yang melalui pusat-pusat bola. Kekuatan seperti ini disebut pusat. Benda-benda yang biasa kita anggap jatuh ke Bumi memiliki dimensi yang jauh lebih kecil dari jari-jari Bumi (R ≈ 6400 km).
Benda-benda tersebut, apapun bentuknya, dapat dianggap sebagai titik material dan menentukan gaya tarik-menariknya ke Bumi menggunakan hukum (3.4), dengan mengingat bahwa r adalah jarak dari suatu benda ke pusat Bumi.
Sebuah batu yang dilempar ke Bumi akan menyimpang di bawah pengaruh gravitasi dari jalur lurus dan, setelah menggambarkan lintasan melengkung, akhirnya akan jatuh ke Bumi. Jika kamu melemparnya dengan kecepatan lebih tinggi, dia akan jatuh lebih jauh." I.Newton
Penentuan konstanta gravitasi.
Sekarang mari kita cari tahu cara mencari konstanta gravitasi. Pertama-tama, perhatikan bahwa G memiliki nama tertentu. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa satuan (dan, karenanya, nama) semua besaran yang termasuk dalam hukum gravitasi universal telah ditetapkan sebelumnya. Hukum gravitasi memberikan hubungan baru antara besaran yang diketahui dengan nama satuan tertentu. Itulah sebabnya koefisiennya menjadi besaran bernama. Dengan menggunakan rumus hukum gravitasi universal, mudah untuk mencari nama satuan konstanta gravitasi dalam SI: N m 2 / kg 2 = m 3 / (kg s 2).
Untuk mengukur G, perlu untuk menentukan secara mandiri semua besaran yang termasuk dalam hukum gravitasi universal: baik massa, gaya, dan jarak antar benda.
Kesulitannya adalah gaya gravitasi antara benda bermassa kecil sangatlah kecil. Karena alasan inilah kita tidak memperhatikan gaya tarik-menarik tubuh kita terhadap benda-benda di sekitarnya dan tarik-menarik benda-benda satu sama lain, meskipun gaya gravitasi adalah gaya yang paling universal di alam. Dua orang bermassa 60 kg yang berjarak 1 m satu sama lain ditarik dengan gaya hanya sekitar 10 -9 N. Oleh karena itu, untuk mengukur konstanta gravitasi diperlukan eksperimen yang cukup halus.
Konstanta gravitasi pertama kali diukur oleh fisikawan Inggris G. Cavendish pada tahun 1798 menggunakan alat yang disebut keseimbangan torsi. Diagram keseimbangan torsi ditunjukkan pada Gambar 3.3. Sebuah kursi goyang ringan dengan dua beban identik di ujungnya digantung pada seutas benang elastis tipis. Dua bola berat dipasang di dekatnya. Gaya gravitasi bekerja antara beban dan bola yang diam. Di bawah pengaruh gaya-gaya ini, rocker memutar dan memelintir benang hingga gaya elastis yang dihasilkan sama dengan gaya gravitasi. Berdasarkan sudut puntirnya, Anda dapat menentukan gaya tarik-menarik. Untuk melakukan ini, Anda hanya perlu mengetahui sifat elastis benang. Massa benda diketahui, dan jarak antara pusat benda yang berinteraksi dapat diukur secara langsung.
Dari percobaan tersebut diperoleh nilai konstanta gravitasi sebagai berikut:
G = 6,67 10 -11 N m 2 / kg 2.
Hanya ketika benda-benda bermassa sangat besar berinteraksi (atau setidaknya massa salah satu benda sangat besar), gaya gravitasi mencapai nilai yang besar. Misalnya Bumi dan Bulan saling tarik menarik dengan gaya F ≈ 2 10 20 N.
Ketergantungan percepatan jatuh bebas suatu benda pada garis lintang geografis.
Salah satu penyebab bertambahnya percepatan jatuh bebas ketika titik letak benda berpindah dari ekuator ke kutub adalah karena letak bola bumi yang agak pipih di kutub dan jarak dari pusat bumi ke permukaannya di kutub lebih kecil dibandingkan di ekuator. Penyebab lainnya adalah rotasi bumi.
Kesetaraan massa inersia dan gravitasi.
Sifat gaya gravitasi yang paling mencolok adalah bahwa gaya tersebut memberikan percepatan yang sama pada semua benda, berapa pun massanya. Apa pendapat Anda tentang pemain sepak bola yang tendangannya bisa dipercepat secara setara dengan bola kulit biasa dan beban seberat dua pon? Semua orang akan mengatakan bahwa ini tidak mungkin. Namun Bumi hanyalah “pemain sepak bola yang luar biasa” dengan satu-satunya perbedaan bahwa pengaruhnya terhadap tubuh tidak bersifat dampak jangka pendek, tetapi terus berlanjut selama miliaran tahun.
Dalam teori Newton, massa adalah sumber medan gravitasi. Kita berada di medan gravitasi bumi. Pada saat yang sama, kita juga merupakan sumber medan gravitasi, namun karena massa kita jauh lebih kecil daripada massa Bumi, medan kita jauh lebih lemah dan benda-benda di sekitarnya tidak bereaksi terhadapnya.
Sifat luar biasa dari gaya gravitasi, seperti yang telah kami katakan, dijelaskan oleh fakta bahwa gaya-gaya ini sebanding dengan massa kedua benda yang berinteraksi. Massa suatu benda, yang termasuk dalam hukum kedua Newton, menentukan sifat inersia benda tersebut, yaitu kemampuannya untuk memperoleh percepatan tertentu di bawah pengaruh gaya tertentu. Ini massa inert m dan.
Tampaknya, apa hubungannya dengan kemampuan benda untuk saling tarik menarik? Massa yang menentukan kemampuan suatu benda untuk saling tarik menarik adalah massa gravitasi m r.
Mekanika Newton sama sekali tidak menyatakan bahwa massa inersia dan massa gravitasi adalah sama, yaitu
m dan = m r . (3.5)
Kesetaraan (3.5) adalah konsekuensi langsung dari eksperimen. Artinya, kita dapat dengan mudah membicarakan massa suatu benda sebagai ukuran kuantitatif sifat inersia dan gravitasinya.
Berdasarkan hukum apa kamu akan menggantungku?
- Dan kami menggantung semua orang menurut satu hukum - hukum Gravitasi Universal.
Hukum gravitasi
Fenomena gravitasi adalah hukum gravitasi universal. Dua buah benda bekerja satu sama lain dengan gaya yang berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara keduanya dan berbanding lurus dengan hasil kali massa kedua benda tersebut.
Secara matematis kita dapat menyatakan hukum besar ini dengan rumus
Gravitasi bekerja dalam jarak yang sangat jauh di Alam Semesta. Namun Newton berpendapat bahwa semua benda saling tarik menarik. Benarkah ada dua benda yang saling tarik menarik? Bayangkan saja, Bumi diketahui menarik Anda yang sedang duduk di kursi. Namun pernahkah Anda berpikir bahwa komputer dan mouse saling tarik menarik? Atau pensil dan pulpen tergeletak di atas meja? Dalam hal ini, kita mengganti massa pena dan massa pensil ke dalam rumus, membaginya dengan kuadrat jarak antara keduanya, dengan mempertimbangkan konstanta gravitasi, dan memperoleh gaya tarik-menarik keduanya. Tapi ternyata ukurannya sangat kecil (karena kecilnya massa pena dan pensil) sehingga kita tidak merasakan kehadirannya. Lain halnya jika menyangkut Bumi dan kursi, atau Matahari dan Bumi. Massanya signifikan, yang berarti kita sudah dapat mengevaluasi pengaruh gaya tersebut.
Mari kita ingat percepatan jatuh bebas. Inilah akibat dari hukum tarik-menarik. Di bawah pengaruh gaya, suatu benda berubah kecepatannya semakin lambat, semakin besar massanya. Akibatnya semua benda jatuh ke bumi dengan percepatan yang sama.
Apa yang menyebabkan kekuatan unik yang tidak terlihat ini? Saat ini keberadaan medan gravitasi telah diketahui dan dibuktikan. Anda dapat mempelajari lebih lanjut tentang sifat medan gravitasi pada materi tambahan tentang topik tersebut.
Coba pikirkan, apa itu gravitasi? Dari mana asalnya? Apa itu? Tentunya tidak mungkin planet memandang Matahari, melihat seberapa jauh jaraknya, dan menghitung kebalikan kuadrat jarak sesuai dengan hukum ini?
Arah gravitasi
Ada dua benda, biarlah benda A dan B. Benda A menarik benda B. Gaya yang bekerja pada benda A dimulai pada benda B dan diarahkan ke benda A. Artinya, ia “mengambil” benda B dan menariknya ke arah diri. Tubuh B “melakukan” hal yang sama pada tubuh A.
Setiap orang tertarik oleh Bumi. Bumi “mengambil” tubuh dan menariknya menuju pusatnya. Oleh karena itu gaya ini akan selalu diarahkan secara vertikal ke bawah, dan diterapkan dari pusat gravitasi benda, disebut gaya gravitasi.
Hal utama yang perlu diingat
Beberapa metode eksplorasi geologi, prediksi pasang surut dan, yang terbaru, perhitungan pergerakan satelit buatan dan stasiun antarplanet. Perhitungan awal posisi planet.
Bisakah kita melakukan eksperimen seperti itu sendiri, dan tidak menebak apakah planet dan benda tertarik?
Pengalaman langsung seperti itu membuat Cavendish (Henry Cavendish (1731-1810) - fisikawan dan kimia Inggris) menggunakan perangkat yang ditunjukkan pada gambar. Idenya adalah untuk menggantungkan batang dengan dua bola pada benang kuarsa yang sangat tipis dan kemudian membawa dua bola timah besar ke arahnya dari samping. Gaya tarik menarik bola akan memelintir benang sedikit – sedikit, karena gaya tarik menarik antar benda biasa sangat lemah. Dengan bantuan alat semacam itu, Cavendish dapat secara langsung mengukur gaya, jarak, dan besaran kedua massa dan, dengan demikian, menentukan konstanta gravitasi G.
Penemuan unik konstanta gravitasi G, yang menjadi ciri medan gravitasi di ruang angkasa, memungkinkan untuk menentukan massa Bumi, Matahari, dan benda langit lainnya. Oleh karena itu, Cavendish menyebut pengalamannya sebagai "menimbang bumi".
Menariknya, berbagai hukum fisika memiliki beberapa kesamaan. Mari kita beralih ke hukum kelistrikan (gaya Coulomb). Gaya listrik juga berbanding terbalik dengan kuadrat jarak, namun antar muatan, dan tanpa sadar muncul pemikiran bahwa ada makna mendalam yang tersembunyi di balik pola ini. Hingga saat ini, belum ada seorang pun yang mampu membayangkan gravitasi dan listrik sebagai dua manifestasi berbeda dari esensi yang sama.
Gaya di sini juga bervariasi berbanding terbalik dengan kuadrat jarak, namun perbedaan besarnya gaya listrik dan gravitasi sangat mencolok. Mencoba untuk menetapkan sifat umum gravitasi dan listrik, kami menemukan keunggulan gaya listrik dibandingkan gaya gravitasi sehingga sulit untuk percaya bahwa keduanya memiliki sumber yang sama. Bagaimana Anda bisa mengatakan bahwa yang satu lebih kuat dari yang lain? Bagaimanapun, semuanya tergantung pada massa dan muatannya. Saat membahas seberapa kuat aksi gravitasi, Anda tidak berhak mengatakan: “Mari kita ambil massa dengan ukuran ini dan itu,” karena Anda sendiri yang memilihnya. Tetapi jika kita mengambil apa yang Alam tawarkan kepada kita (angka dan ukuran kita sendiri, yang tidak ada hubungannya dengan inci, tahun, dengan ukuran kita), maka kita akan dapat membandingkannya. Kami mengambil partikel bermuatan dasar, seperti elektron. Dua partikel elementer, dua elektron, karena adanya muatan listrik, saling tolak menolak dengan gaya yang berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara keduanya, dan karena gravitasi mereka saling tarik menarik lagi dengan gaya yang berbanding terbalik dengan kuadrat. jarak.
Pertanyaan: Berapa perbandingan gaya gravitasi dengan gaya listrik? Gravitasi adalah gaya tolak menolak listrik seperti halnya bilangan dengan 42 angka nol. Hal ini menyebabkan kebingungan yang paling dalam. Dari mana datangnya jumlah sebesar itu?
Orang-orang mencari koefisien yang sangat besar ini pada fenomena alam lainnya. Mereka mencoba segala macam bilangan besar, dan jika Anda membutuhkan bilangan besar, mengapa tidak mengambil, katakanlah, rasio diameter Alam Semesta dengan diameter proton - yang mengejutkan, ini juga merupakan bilangan dengan 42 angka nol. Jadi mereka berkata: mungkinkah koefisien ini sama dengan rasio diameter proton dengan diameter alam semesta? Ini adalah ide yang menarik, namun seiring dengan berkembangnya alam semesta secara bertahap, konstanta gravitasi juga harus berubah. Meskipun hipotesis ini belum terbantahkan, kami tidak mempunyai bukti yang mendukungnya. Sebaliknya, beberapa bukti menunjukkan bahwa konstanta gravitasi tidak berubah dengan cara ini. Jumlah yang sangat besar ini masih menjadi misteri hingga saat ini.
Einstein harus mengubah hukum gravitasi sesuai dengan prinsip relativitas. Prinsip pertama menyatakan bahwa jarak x tidak dapat diatasi secara instan, sedangkan menurut teori Newton, gaya bekerja secara instan. Einstein harus mengubah hukum Newton. Perubahan dan klarifikasi ini sangat kecil. Salah satunya adalah: karena cahaya memiliki energi, energi setara dengan massa, dan semua massa tertarik, maka cahaya juga tertarik dan, oleh karena itu, saat melewati Matahari, harus dibelokkan. Inilah yang sebenarnya terjadi. Gaya gravitasi juga sedikit dimodifikasi dalam teori Einstein. Namun perubahan kecil dalam hukum gravitasi ini sudah cukup untuk menjelaskan beberapa ketidakteraturan gerak Merkurius.
Fenomena fisik di dunia mikro tunduk pada hukum yang berbeda dengan fenomena di dunia dalam skala besar. Timbul pertanyaan: bagaimana gravitasi memanifestasikan dirinya di dunia berskala kecil? Teori gravitasi kuantum akan menjawabnya. Namun teori gravitasi kuantum belum ada. Manusia belum terlalu berhasil dalam menciptakan teori gravitasi yang sepenuhnya konsisten dengan prinsip mekanika kuantum dan prinsip ketidakpastian.
