Гравитација

Из Википедије, слободне енциклопедије

Гравитација односно сила теже је физичка интеракција која изазива привлачење између тела, а што је последица њихове масе. То је једна од четири основне силе које делују у природи, представља силу привлачења између материјалних тела свих величина - од атома до планета у галаксијама, звезда у универзуму, итд. Гравитација је сила којом планета Земља привлачи и држи све материјалне ствари (жива бића и предмете) на својој површини и још се назива и Земљина тежа. Сва материјална тела поседују силу гравитације, али су те силе далеко мање него сила Земљине теже која се осећа и на 80.000 километара удаљености од Земље. Гравитациона сила Сунца још је већа, јер Сунце помоћу ње држи на окупу све планете Сунчевог система које, услед ове силе, у свом кретању круже око Сунца. Генерално, цела структура универзума се базира на гравитацији.

Гравитациона сила држи планете у орбити око Сунца.

Јачина гравитационе силе између два тела зависи од масе тих тела и удаљености између њих, с тим што је управо сразмерна масама а обрнуто сразмерна квадрату растојања.

Током људске историје појавиле су се многе теорије које су покушале да објасне овај феномен. Данас прихваћена теорија гравитације је она коју је 1915. предложио Алберт Ајнштајн, а то је Општа теорија релативности. Универзални закон гравитације који је Исак Њутн дефинисао крајем 18. века, изузетно је једноставан и одлично апроксимира прорачун сила гравитације (изузев за брзине блиске брзини светлости), тако да се и данас користи. По Њутну се јединица силе назива „Њутн“ и обележава великим словом N што је еквивалентно са kg·m/s².

У свету микроскопских величина, гравитација је најслабија од четири основне силе природе. У макроскопском свету делују једино гравитационе и електромагнетне силе. За разлику од електромагнетних сила, гравитационе силе су увек привлачне. Једна од популарних области проучавања у 21. веку је квантна теорија гравитације.

Аристотелов интуитивни приступ[уреди]

Старогрчки мислиоци попут Аристотела сматрали су да „што је тело теже, то брже пада“ (усвајајући хипотезу о одсуству ваздуха). Тиме је створена конфузија око квалитета и квантитета:

  1. Квантитет : узмимо у руку једно тело које Земља привлачи. Раздробимо га (мисаоно) у хиљаде фрагмената. Сваки фрагмент има особину тежине, што је последица Земљиног привлачења. Тежина великог тела је сума тежине свих фрагмената. Дакле, тежина зависи од квантитета.
  2. Квалитет : пустимо тело да падне на земљу. Сваки фрагмент тела пада јер га Земља привлачи, он стиче брзину независно од осталих фрагмената. Брзина пада не зависи од броја фрагмената, јер су сви они идентични. Не зависи ни од укупне масе тела јер сви фрагменти падају истовремено. Брзина пада је дакле квалитет тела независан од његовог квантитета.

Отуда, иако су интуитивно блиски, појмови тежине и брзине пада се разликују.

Такође је чињеница да у одсуству ваздуха дрво и метал падају истом брзином, што значи да је брзина падања квалитативна особина независна од врсте материјала. Ова особина демонстрира принцип еквивалентности.

Када се испуштају предмети различитог облика, рецимо лопта од пене и од метала истих димензија, и када је путања пада довољно дуга, постаће приметно да услед отпора ваздуха долази до разлике у брзини пада. Галилеј је био први научник који је схватио овај разлог.

Истраживање Галилео Галилеја[уреди]

Галилео Галилеј се није бавио падом различитих тела у вакууму, па се вакуум и не спомиње у његовим делима (њиме се бавио његов ученик Торичели). Он је за огледе користио тешке металне кликере (сфере). Испуштајући ове кликере са торња у Пизи закључио је да нема разлике у брзини пада тежих и лакших кликера.

Око 1604, Галилеј уочио чињеницу: када се предмет испусти, његова почетна брзина је нула, а када падне на Земљу ... тело има брзину. Закључак је да се брзина мења током пада. Галилеј је предложио једноставан закон: брзина тела је пропорционлна времену које је прошло од почетка пада: брзина = константа × време

Даље је закључио (рачуном који личи на интегрални рачун који ће касније открити Њутн и Лајбниц) да је растојање коју тело пређе при паду: растојање = константа × 0,5 × време²

Ову теорију је потврдио експериментално користећи стрму раван на којој су звона означавала пролазак кликера.

Константа која се појављује у формулама добиће ознаку g, а њена експериментално утврђена вредност је g = 9,81 m/s².

Данас је овај модел применљив на пад тела у нивоу Земљине површине.

Теорија Исака Њутна[уреди]

Исак Њутн је саградио мост између Земље и неба. Сматрао је да сила која привлачи Земљу Сунцу, иста она која Месец привлачи Земљи.
Vista-xmag.png За више информација погледајте чланак Универзални закон гравитације

Математичар и физичар Исак Њутн развио је између 1665. и 1685. своју теорију механике засновану на убрзању, а не само на проучавању брзине, како су то чинили Галилеј и Декарт.

Основни закон динамике: полазећи од Декартовог принципа инерције (који се бавио одржањем количине кретања), закључио је да је збирно деловање сила на тела једнако ma, где је m инертна маса (која отежава кретање тела), и где је a убрзање (ритам промене брзине).

Њутн је желео да обједини законе који важе на Земљи са онима који се могу важе на небу (астрономија), нарочито оне који се односе на Земљину тежу и кретање планета.

Ако се посматра гравитациона сила између два тачкаста тела, Њутнови закони се могу објаснити на следећи начин:

  • Из Кеплерових закона, који су изведени из посматрања кретање тела у Сунчевом систему, и закона Кристијана Хајгенса о центрифугалној сили, Њутн је закључио да гравитациона сила између два тела делује по правој линији између њих и пропорционална је: \frac{1}{d^2}, где је d растојање између тела.
  • Сматрајући да је сила гравитације пропорционална коичини материје присутној у телу која делују овом силом (двоструко веће тело делује двоструко већом силом), пертпоставио је да је сила пропорционална величини m_G коју је назвао гравитациона маса, пропорционална количини материје у телу и његовој способности да врши привлачно деловање.
  • По принципу акције и реакције, сила којом друго тело делује на прво је једнака (и усмерена у супротном смеру) сили којом прво тело делује на друго. Ова сила је пропорционална m'_G, гравитационој маси другог тела.
  • Ако занемаримо остале утицаје, ова сила се може изразити једначином: F = G\cdot\frac{m_G m'_G}{d^2}, где је G константа под именом гравитациона константа.

Основни закон динамике се стога може записати као: ma=G\cdot\frac{m_Gm'_G}{d^2}. Ако је убрзање a (и брзина) тела које је у слободном паду независно од инерционе масе (као што је показао Галилејев експеримент), онда за тело важи m=m_G, дакле гравитациона маса је једнака инерционој маси, што не зависи од врсте и састава тела. Њутн је тестирао ову теорију на много примера и није јој нашао изузетак.

Гравитациона сила на даљину делује тренутно, без кашњења, закључио је Њутн.

Данас се Њутнова једначина силе гравитације записује помоћу векторског рачуна, па је тако гравитациона сила:

\vec{F}_{12}=-G\cdot\frac{m_1 m_2}{d^2}\vec{u}_{12}

Њутнов закон гравитације може да искаже Галилејев закон у првој апроксимацији: ако се са d= означи полупречник земље, а m_T= је маса Земље, добија се да је g=G\cdot\frac{m_T}{d^2}=9,81 m·s-2.

Њутнова теорија је експериментално потврђена. У пракси, овај закон показује да је могуће послати на небо предмете теже од ваздуха.

Модел Алберта Ајнштајна[уреди]

По општој теорији релативности, гравитација се више не схвата као сила привлачења, већ као манифестација деформације геометрије простора и времена под утицајем објеката који су присутни.

После објављивања специјалне теорије релативности 1905, Алберт Ајнштајн је покушао да успостави компатибилност између гравитације, која се по Њутновој торији простире тренутно, и теорије релативности по којој је брзина светлости највећа могућа брзина интеракције.

Око 1915. дошао је до решења за овај проблем тврдећи да гравитација није сила у уобичајеном физичком смислу, већ манифестација деформације простора и времена под утицајем материје која се налази у том простору. Ова хипотеза је последица експериментално потврђене чињенице да сва тела падају једнаком брзином у гравитационом пољу, без обзира на масу или хемијски састав. Ова опсервација, формализована у појму принцип еквивалентности, сугерише да је гравитација геометријска манифестација самог простора.

На овим темељима настала је теорија општег релативитета која укључује принцип релативитета, а где је Њутнова теорија само апроксимација која даје добре резултате у условима слабих гравитационих сила и брзина много мањих од брзине светлости. Деформације времена и простора се по овој теорији, при јаким убрзањима не преносе брже од брзине светлости, чиме је разрешен парадокс тренутне интеракције присутан у Њутновој теорији. Ту се појављује концепт гравитационих таласа, који још никад нису детектовани експериментално.

Гравитација и квантна механика[уреди]

Неколико деценије после објављивања опште теорије релативности, научници су закључили да је она неподударна са квантном механиком. У теорији квантних поља гравитација се описује као последица размене виртуелних гравитона, слично као што електромагнетна сила настаје разменом виртуелних фотона. Овај приступ још није објаснио гравитационе силе на растојањима мањим од Планкове дужине. Још неостварени циљ савремене науке је да створи свеобухватну теорију квантне гравитације.

Види још[уреди]

Спољашње везе[уреди]

Викиостава
Викимедијина остава има још мултимедијалних датотека везаних за: Гравитација