Forze gravitazionali: definizione, formula, tipi

Alla domanda "Cos'è la forza?", La Fisica risponde come segue: "La forza è una misura dell'interazione di corpi materiali tra loro o tra corpi e altri oggetti materiali - campi fisici". Tutte le forze in natura possono essere attribuite ai quattro tipi fondamentali di interazione: forte, debole, elettromagnetica e gravitazionale. Il nostro articolo parla di quali sono le forze gravitazionali - una misura di quest'ultimo e, forse, il tipo più diffuso in natura di queste interazioni.

Iniziamo con l'attrazione della terra

Tutti coloro che vivono sanno che esiste una forza che attrae oggetti sulla terra. Solitamente viene definito gravità, gravità o gravità. Grazie alla sua presenza nell'uomo, sono emersi i concetti di "cima" e "fondo", che determinano la direzione del movimento o la posizione di qualcosa relativo alla superficie terrestre. Quindi, in un caso particolare, sulla superficie della terra o vicino ad esso, le forze gravitazionali si manifestano, che attraggono gli oggetti che hanno massa, l'un l'altro, manifestando la loro azione a distanze piccole o molto grandi, anche per gli standard cosmici.

Gravità e terza legge di Newton

Come è noto, qualsiasi forza, se considerata come misura dell'interazione di corpi fisici, è sempre applicata a qualcuno di essi. Quindi, nell'interazione gravitazionale tra i corpi, ognuno di loro sperimenta un tale tipo di forze gravitazionali, che sono causate dall'influenza di ciascuna di esse. Se ci sono solo due corpi (si presume che l'azione di tutti gli altri possa essere trascurata), allora ognuno di loro, secondo la terza legge di Newton, attrarrà un altro corpo con la stessa forza. Quindi la Luna e la Terra si attraggono l'una con l'altra, determinando il flusso e riflusso dei mari della Terra.

Ogni pianeta nel sistema solare sperimenta diverse forze attrattive dal Sole e da altri pianeti. Certo, è la forza di attrazione del Sole che determina la forma e le dimensioni della sua orbita, ma gli astronomi tengono anche conto dell'influenza di altri corpi celesti nelle loro traiettorie del loro movimento.

Ciò che cade rapidamente a terra da un'altezza?

La caratteristica principale di questa forza è che tutti gli oggetti cadono sulla terra con una velocità, indipendentemente dalla loro massa. Una volta, fino al XVI secolo, si pensava che fosse vero il contrario: i corpi più pesanti dovrebbero cadere più velocemente di quelli leggeri. Per dissipare questo equivoco Galileo Galileo dovette eseguire la sua famosa esperienza di far cadere contemporaneamente due palle di cannone di diversi pesi da una inclinata torre pendente di Pisa. Contrariamente alle aspettative dei testimoni dell'esperimento, entrambi i nuclei raggiunsero la superficie simultaneamente. Oggi, ogni scolaro sa che questo è successo a causa del fatto che la forza di gravità comunica a qualsiasi corpo la stessa accelerazione caduta libera g = 9,81 m / s ² indipendentemente dalla massa m di questo corpo, e il suo valore secondo la seconda legge di Newton è F = mg.

Le forze gravitazionali sulla luna e su altri pianeti hanno significati diversi di questa accelerazione. Tuttavia, la natura dell'azione di gravità su di loro è la stessa.

Gravità e peso corporeo

Se la prima forza viene applicata direttamente al corpo stesso, il secondo al suo supporto o sospensione. In questa situazione, le forze elastiche agiscono sempre sui corpi dal lato dei supporti e delle sospensioni. Le forze gravitazionali applicate agli stessi corpi agiscono nei loro confronti.

Immagina un carico sospeso sopra il terreno su una molla. Vengono applicate due forze: la forza elastica della molla tesa e la forza di gravità. Secondo la terza legge di Newton, il carico agisce su una molla con una forza uguale e opposta alla forza di elasticità. Questo potere sarà il suo peso. Per un peso di 1 kg, il peso è P = 1 kg ∙ 9,81 m / s ² = 9,81 N (newton).

Forze gravitazionali: definizione

La prima teoria quantitativa della gravità, basata sulle osservazioni del moto dei pianeti, fu formulata da Isaac Newton nel 1687 nel suo famoso "Inizio della filosofia naturale". Ha scritto che le forze di attrazione che agiscono sul sole e sui pianeti dipendono dalla quantità di materia che contengono. Loro sono si sviluppa su grandi distanze e diminuisce sempre come l'inverso del quadrato della distanza. Come possono essere calcolate queste forze gravitazionali? La formula per la forza F tra due oggetti con masse m ₁ e m ₂ situate ad una distanza r è la seguente:

• F = Gm ₁ m ₂ / r ² ,
  dove G è la costante di proporzionalità, costante gravitazionale.

Meccanismo di gravità fisica

Newton non era pienamente soddisfatto della sua teoria, poiché assunse l'interazione tra attrarre corpi a distanza. Il grande inglese era convinto che dovesse esserci un agente fisico responsabile del trasferimento delle azioni di un corpo a un altro, cosa che esprimeva chiaramente in una delle sue lettere. Ma il momento in cui è stato introdotto il concetto di campo gravitazionale, che permea tutto lo spazio, è arrivato solo dopo quattro secoli. Oggi, parlando di gravità, possiamo parlare dell'interazione di qualsiasi corpo (cosmico) con il campo gravitazionale di altri corpi, la cui misura è la forza gravitazionale che si genera tra ogni coppia di corpi. La legge del mondo, formulato da Newton nella suddetta forma, rimane vero ed è confermato da molti fatti.

Teoria della gravità e dell'astronomia

È stato applicato con successo alla risoluzione dei problemi della meccanica celeste durante il XVIII e l'inizio del XIX secolo. Ad esempio, i matematici D. Adams e U. Le Verrier, analizzando le violazioni dell'orbita di Urano, hanno suggerito che le forze gravitazionali di interazione con un pianeta ancora sconosciuto agiscono su di esso. Indicavano la sua posizione prevista, e presto Nettuno fu scoperto lì dall'astronomo I. Galle.

Sebbene ci fosse un problema. Le Verrier calcolò nel 1845 che l'orbita di Mercurio andasse a 35 "al secolo, in contrasto con il valore zero di questa precessione ottenuta secondo la teoria di Newton. Le misurazioni successive hanno dato un valore più accurato 43 ''. (La precessione osservata è effettivamente 570 "/ secolo, ma un calcolo meticoloso, che ti permette di sottrarre l'influenza da tutti gli altri pianeti, dà un valore di 43" ").

Solo nel 1915, Albert Einstein fu in grado di spiegare questa discrepanza nel quadro della teoria della gravità che creò. Si è scoperto che il massiccio Sole, come qualsiasi altro corpo massiccio, si piega nello spazio-tempo nelle sue vicinanze. Questi effetti causano deviazioni nelle orbite dei pianeti, ma in Mercurio, come il pianeta più piccolo e vicino alla nostra stella, si manifestano più fortemente.

Masse inerziali e gravitazionali

Come notato sopra, Galileo fu il primo a osservare che gli oggetti cadevano a terra alla stessa velocità, indipendentemente dalla loro massa. Nelle formule di Newton, il concetto di massa viene da due diverse equazioni. La sua seconda legge dice che la forza F applicata a un corpo con massa m dà l'accelerazione secondo l'equazione F = ma.

Tuttavia, la forza di gravità F applicata all'organismo soddisfa la formula F = mg, dove g dipende dall'interazione del corpo con il soggetto (solitamente la terra, quando parliamo di gravità). In entrambe le equazioni m è il coefficiente di proporzionalità, ma nel primo caso è massa inerziale e nel secondo gravitazionale, e non vi è alcuna ragione ovvia che debbano essere uguali per qualsiasi oggetto fisico.

Tuttavia, tutti gli esperimenti dimostrano che questo è vero.

La teoria della gravità di Einstein

Ha preso il fatto dell'uguaglianza delle masse inerziali e gravitazionali come punto di partenza per la sua teoria. Riuscì a costruire le equazioni del campo gravitazionale, le famose equazioni di Einstein, e con il loro aiuto calcolò il valore corretto per la precessione dell'orbita di Mercurio. Danno anche la deflessione misurata dei raggi di luce che passano vicino al sole, e non vi è dubbio che i risultati corretti per gravità macroscopica seguano da loro. La teoria della gravità di Einstein, o teoria generale della relatività (GTR), come lo definì lui stesso, è uno dei più grandi trionfi della scienza moderna.

Forze gravitazionali: l'accelerazione?

Se non riesci a distinguere la massa inerziale dalla massa gravitazionale, non puoi distinguere tra gravità e accelerazione. Un esperimento in un campo gravitazionale può invece essere eseguito in un ascensore accelerato in assenza di gravità. Quando un astronauta in un razzo accelera, allontanandosi dalla terra, sperimenta la gravità, che è molte volte più grande della terra, e la sua parte schiacciante deriva dall'accelerazione.

Se nessuno può distinguere la gravità dall'accelerazione, allora la prima può sempre essere riprodotta dall'accelerazione. Il sistema in cui l'accelerazione sostituisce la gravità è chiamato inerziale. Pertanto, la luna nell'orbita terrestre può anche essere considerata come un sistema inerziale. Tuttavia, questo sistema differirà da punto a punto, poiché il campo gravitazionale cambia. (Nell'esempio della Luna, il campo gravitazionale cambia direzione da un punto all'altro). Il principio che un sistema inerziale può sempre essere trovato in qualsiasi punto nello spazio e nel tempo in cui la fisica obbedisce alle leggi in assenza di gravità è chiamato principio di equivalenza.

La gravità come manifestazione delle proprietà geometriche dello spazio-tempo

Il fatto che le forze gravitazionali possano essere considerate come accelerazioni nei sistemi di coordinate inerziali che differiscono da punto a punto significa che la gravità è un concetto geometrico.

Diciamo che lo spazio-tempo è piegato. Considera una palla su una superficie piana. Riposerà o, se non vi è attrito, si muoverà in modo uniforme senza alcuna forza che agisca su di lui. Se la superficie si piega, la palla si accelera e si sposta sul punto più basso, scegliendo il percorso più breve. Allo stesso modo, la teoria di Einstein afferma che lo spazio-tempo quadridimensionale è curvo e il corpo si muove in questo spazio curvo lungo una linea geodetica, che corrisponde al percorso più breve. Pertanto, il campo gravitazionale e le forze gravitazionali che agiscono su corpi fisici in esso sono quantità geometriche che dipendono dalle proprietà dello spaziotempo che cambiano più fortemente vicino a corpi massicci.