Gravitacija

Iz Vikipedije, slobodne enciklopedije
Skoči na: navigacija, pretraga

Gravitacija odnosno sila teže je fizička interakcija koja izaziva privlačenje između tela, a što je posledica njihove mase. To je jedna od četiri osnovne sile koje deluju u prirodi, predstavlja silu privlačenja između materijalnih tela svih veličina - od atoma do planeta u galaksijama, zvezda u univerzumu, itd. Gravitacija je sila kojom planeta Zemlja privlači i drži sve materijalne stvari (živa bića i predmete) na svojoj površini i još se naziva i Zemljina teža. Sva materijalna tela poseduju silu gravitacije, ali su te sile daleko manje nego sila Zemljine teže koja se oseća i na 80.000 kilometara udaljenosti od Zemlje. Gravitaciona sila Sunca još je veća, jer Sunce pomoću nje drži na okupu sve planete Sunčevog sistema koje, usled ove sile, u svom kretanju kruže oko Sunca. Generalno, cela struktura univerzuma se bazira na gravitaciji.

Gravitaciona sila drži planete u orbiti oko Sunca.

Jačina gravitacione sile između dva tela zavisi od mase tih tela i udaljenosti između njih, s tim što je upravo srazmerna masama a obrnuto srazmerna kvadratu rastojanja.

Tokom ljudske istorije pojavile su se mnoge teorije koje su pokušale da objasne ovaj fenomen. Danas prihvaćena teorija gravitacije je ona koju je 1915. predložio Albert Ajnštajn, a to je Opšta teorija relativnosti. Univerzalni zakon gravitacije koji je Isak Njutn definisao krajem 18. veka, izuzetno je jednostavan i odlično aproksimira proračun sila gravitacije (izuzev za brzine bliske brzini svetlosti), tako da se i danas koristi. Po Njutnu se jedinica sile naziva „Njutn“ i obeležava velikim slovom N što je ekvivalentno sa kg·m/s².

U svetu mikroskopskih veličina, gravitacija je najslabija od četiri osnovne sile prirode. U makroskopskom svetu deluju jedino gravitacione i elektromagnetne sile. Za razliku od elektromagnetnih sila, gravitacione sile su uvek privlačne. Jedna od popularnih oblasti proučavanja u 21. veku je kvantna teorija gravitacije.

Aristotelov intuitivni pristup[uredi]

Starogrčki mislioci poput Aristotela smatrali su da „što je telo teže, to brže pada“ (usvajajući hipotezu o odsustvu vazduha). Time je stvorena konfuzija oko kvaliteta i kvantiteta:

  1. Kvantitet : uzmimo u ruku jedno telo koje Zemlja privlači. Razdrobimo ga (misaono) u hiljade fragmenata. Svaki fragment ima osobinu težine, što je posledica Zemljinog privlačenja. Težina velikog tela je suma težine svih fragmenata. Dakle, težina zavisi od kvantiteta.
  2. Kvalitet : pustimo telo da padne na zemlju. Svaki fragment tela pada jer ga Zemlja privlači, on stiče brzinu nezavisno od ostalih fragmenata. Brzina pada ne zavisi od broja fragmenata, jer su svi oni identični. Ne zavisi ni od ukupne mase tela jer svi fragmenti padaju istovremeno. Brzina pada je dakle kvalitet tela nezavisan od njegovog kvantiteta.

Otuda, iako su intuitivno bliski, pojmovi težine i brzine pada se razlikuju.

Takođe je činjenica da u odsustvu vazduha drvo i metal padaju istom brzinom, što znači da je brzina padanja kvalitativna osobina nezavisna od vrste materijala. Ova osobina demonstrira princip ekvivalentnosti.

Kada se ispuštaju predmeti različitog oblika, recimo lopta od pene i od metala istih dimenzija, i kada je putanja pada dovoljno duga, postaće primetno da usled otpora vazduha dolazi do razlike u brzini pada. Galilej je bio prvi naučnik koji je shvatio ovaj razlog.

Istraživanje Galileo Galileja[uredi]

Galileo Galilej se nije bavio padom različitih tela u vakuumu, pa se vakuum i ne spominje u njegovim delima (njime se bavio njegov učenik Toričeli). On je za oglede koristio teške metalne klikere (sfere). Ispuštajući ove klikere sa tornja u Pizi zaključio je da nema razlike u brzini pada težih i lakših klikera.

Oko 1604, Galilej uočio činjenicu: kada se predmet ispusti, njegova početna brzina je nula, a kada padne na Zemlju ... telo ima brzinu. Zaključak je da se brzina menja tokom pada. Galilej je predložio jednostavan zakon: brzina tela je proporcionlna vremenu koje je prošlo od početka pada: brzina = konstanta × vreme

Dalje je zaključio (računom koji liči na integralni račun koji će kasnije otkriti Njutn i Lajbnic) da je rastojanje koju telo pređe pri padu: rastojanje = konstanta × 0,5 × vreme²

Ovu teoriju je potvrdio eksperimentalno koristeći strmu ravan na kojoj su zvona označavala prolazak klikera.

Konstanta koja se pojavljuje u formulama dobiće oznaku g, a njena eksperimentalno utvrđena vrednost je g = 9,81 m/s².

Danas je ovaj model primenljiv na pad tela u nivou Zemljine površine.

Teorija Isaka Njutna[uredi]

Isak Njutn je sagradio most između Zemlje i neba. Smatrao je da sila koja privlači Zemlju Suncu, ista ona koja Mesec privlači Zemlji.
Vista-xmag.png Za više informacija pogledajte članak Univerzalni zakon gravitacije

Matematičar i fizičar Isak Njutn razvio je između 1665. i 1685. svoju teoriju mehanike zasnovanu na ubrzanju, a ne samo na proučavanju brzine, kako su to činili Galilej i Dekart.

Osnovni zakon dinamike: polazeći od Dekartovog principa inercije (koji se bavio održanjem količine kretanja), zaključio je da je zbirno delovanje sila na tela jednako ma, gde je m inertna masa (koja otežava kretanje tela), i gde je a ubrzanje (ritam promene brzine).

Njutn je želeo da objedini zakone koji važe na Zemlji sa onima koji se mogu važe na nebu (astronomija), naročito one koji se odnose na Zemljinu težu i kretanje planeta.

Ako se posmatra gravitaciona sila između dva tačkasta tela, Njutnovi zakoni se mogu objasniti na sledeći način:

  • Iz Keplerovih zakona, koji su izvedeni iz posmatranja kretanje tela u Sunčevom sistemu, i zakona Kristijana Hajgensa o centrifugalnoj sili, Njutn je zaključio da gravitaciona sila između dva tela deluje po pravoj liniji između njih i proporcionalna je: \frac{1}{d^2}, gde je d rastojanje između tela.
  • Smatrajući da je sila gravitacije proporcionalna koičini materije prisutnoj u telu koja deluju ovom silom (dvostruko veće telo deluje dvostruko većom silom), pertpostavio je da je sila proporcionalna veličini m_G koju je nazvao gravitaciona masa, proporcionalna količini materije u telu i njegovoj sposobnosti da vrši privlačno delovanje.
  • Po principu akcije i reakcije, sila kojom drugo telo deluje na prvo je jednaka (i usmerena u suprotnom smeru) sili kojom prvo telo deluje na drugo. Ova sila je proporcionalna m'_G, gravitacionoj masi drugog tela.
  • Ako zanemarimo ostale uticaje, ova sila se može izraziti jednačinom: F = G\cdot\frac{m_G m'_G}{d^2}, gde je G konstanta pod imenom gravitaciona konstanta.

Osnovni zakon dinamike se stoga može zapisati kao: ma=G\cdot\frac{m_Gm'_G}{d^2}. Ako je ubrzanje a (i brzina) tela koje je u slobodnom padu nezavisno od inercione mase (kao što je pokazao Galilejev eksperiment), onda za telo važi m=m_G, dakle gravitaciona masa je jednaka inercionoj masi, što ne zavisi od vrste i sastava tela. Njutn je testirao ovu teoriju na mnogo primera i nije joj našao izuzetak.

Gravitaciona sila na daljinu deluje trenutno, bez kašnjenja, zaključio je Njutn.

Danas se Njutnova jednačina sile gravitacije zapisuje pomoću vektorskog računa, pa je tako gravitaciona sila:

\vec{F}_{12}=-G\cdot\frac{m_1 m_2}{d^2}\vec{u}_{12}
  • \vec{F}_{12} označava gravitacionu silu kojom telo 1 privlači telo 2 (u Njutnima ili -{m·kg·s}-2) ;
  • G, je gravitaciona konstanta koja iznosi 6,6742x10-11 N·m²·kg-2 (ili m³·kg-1·s-2) ;
  • m_1 i m_2, predstavljaju mase dvaju tela (u kilogramima) ;
  • d, je rastojanje između dva tela (u metrima) ;
  • \vec{u}_{12} je jedinični vektor usmeren od tela 1 prema telu 2 ;
  • znak – označava da telo 2 privlači telo 1.

Njutnov zakon gravitacije može da iskaže Galilejev zakon u prvoj aproksimaciji: ako se sa d= označi poluprečnik zemlje, a m_T= je masa Zemlje, dobija se da je g=G\cdot\frac{m_T}{d^2}=9,81 m·s-2.

Njutnova teorija je eksperimentalno potvrđena. U praksi, ovaj zakon pokazuje da je moguće poslati na nebo predmete teže od vazduha.

Model Alberta Ajnštajna[uredi]

Po opštoj teoriji relativnosti, gravitacija se više ne shvata kao sila privlačenja, već kao manifestacija deformacije geometrije prostora i vremena pod uticajem objekata koji su prisutni.

Posle objavljivanja specijalne teorije relativnosti 1905, Albert Ajnštajn je pokušao da uspostavi kompatibilnost između gravitacije, koja se po Njutnovoj toriji prostire trenutno, i teorije relativnosti po kojoj je brzina svetlosti najveća moguća brzina interakcije.

Oko 1915. došao je do rešenja za ovaj problem tvrdeći da gravitacija nije sila u uobičajenom fizičkom smislu, već manifestacija deformacije prostora i vremena pod uticajem materije koja se nalazi u tom prostoru. Ova hipoteza je posledica eksperimentalno potvrđene činjenice da sva tela padaju jednakom brzinom u gravitacionom polju, bez obzira na masu ili hemijski sastav. Ova opservacija, formalizovana u pojmu princip ekvivalentnosti, sugeriše da je gravitacija geometrijska manifestacija samog prostora.

Na ovim temeljima nastala je teorija opšteg relativiteta koja uključuje princip relativiteta, a gde je Njutnova teorija samo aproksimacija koja daje dobre rezultate u uslovima slabih gravitacionih sila i brzina mnogo manjih od brzine svetlosti. Deformacije vremena i prostora se po ovoj teoriji, pri jakim ubrzanjima ne prenose brže od brzine svetlosti, čime je razrešen paradoks trenutne interakcije prisutan u Njutnovoj teoriji. Tu se pojavljuje koncept gravitacionih talasa, koji još nikad nisu detektovani eksperimentalno.

Gravitacija i kvantna mehanika[uredi]

Nekoliko decenije posle objavljivanja opšte teorije relativnosti, naučnici su zaključili da je ona nepodudarna sa kvantnom mehanikom. U teoriji kvantnih polja gravitacija se opisuje kao posledica razmene virtuelnih gravitona, slično kao što elektromagnetna sila nastaje razmenom virtuelnih fotona. Ovaj pristup još nije objasnio gravitacione sile na rastojanjima manjim od Plankove dužine. Još neostvareni cilj savremene nauke je da stvori sveobuhvatnu teoriju kvantne gravitacije.

Vidi još[uredi]

Spoljašnje veze[uredi]

Vikiostava
Vikimedijina ostava ima još multimedijalnih datoteka vezanih za: Gravitacija