Contenu
- La force de la gravité
- Accélération due à la gravité
- Exemple avec gravité
- Newtons Universal Law of Gravitation
- Exemple avec la loi universelle de Newtons de la gravitation
- Théorie de la relativité générale d'Albert Einsteins
- La gravité est importante
Un étudiant en physique peut rencontrer la gravité de la physique de deux manières différentes: accélération de la gravité sur la Terre ou sur d’autres corps célestes, ou force d’attraction entre deux objets quelconques de l’univers. En effet, la gravité est l’une des forces les plus fondamentales de la nature.
Sir Isaac Newton a élaboré des lois pour décrire les deux. Deuxième loi de Newton (Fnet = ma) s'applique à toute force nette agissant sur un objet, y compris la force de gravité subie dans l'emplacement de tout corps volumineux, tel qu'une planète. La loi de Newtons de la gravitation universelle, une loi carrée inverse, explique l'attirance ou l'attraction gravitationnelle entre deux objets quelconques.
La force de la gravité
La force gravitationnelle ressentie par un objet dans un champ gravitationnel est toujours dirigée vers le centre de la masse générant le champ, tel que le centre de la Terre. En l'absence de toute autre force, il peut être décrit en utilisant la relation newtonienne Fnet = ma, où Fnet est la force de gravité en newtons (N), m est la masse en kilogrammes (kg) et une est l'accélération due à la pesanteur en m / s2.
Tous les objets à l’intérieur d’un champ gravitationnel, tels que toutes les roches de Mars, éprouvent les mêmes accélération vers le centre du champ agissant sur leurs masses. Ainsi, le seul facteur qui modifie la force de gravité ressentie par différents objets sur la même planète est leur masse: plus la masse est importante, plus la force de gravité est importante et inversement.
La force de gravité est son poids en physique, bien que familièrement poids soit souvent utilisé différemment.
Accélération due à la gravité
Deuxième loi de Newton, Fnet = ma, montre qu'un force nette provoque une masse à accélérer. Si la force nette provient de la gravité, cette accélération est appelée accélération due à la gravité; pour les objets proches de grands corps comme les planètes, cette accélération est approximativement constante, ce qui signifie que tous les objets tombent avec la même accélération.
Près de la surface de la Terre, cette constante reçoit sa propre variable spéciale: g. "Petit g," comme g est souvent appelé, a toujours une valeur constante de 9,8 m / s2. (L’expression "petit g" distingue cette constante d’une autre constante gravitationnelle importante, g, ou "grand G", qui s'applique à la loi universelle de la gravitation.) Tout objet tombé près de la surface de la Terre tombera vers le centre de la Terre à une vitesse sans cesse croissante, chaque seconde passant à 9,8 m / s plus vite que la seconde avant.
Sur Terre, la force de gravité sur un objet de masse m est:
Fgrav = mg
Exemple avec gravité
Les astronautes atteignent une planète lointaine et constatent qu'il faut huit fois plus de force pour y lever des objets que sur Terre. Quelle est l'accélération due à la gravité sur cette planète?
Sur cette planète, la force de gravité est huit fois plus grande. Les masses d'objets étant une propriété fondamentale de ces objets, elles ne peuvent pas changer, c'est-à-dire la valeur de g doit être huit fois plus grand aussi:
8Fgrav = m (8g)
La valeur de g sur Terre est de 9,8 m / s2donc 8 × 9,8 m / s2 = 78,4 m / s2.
Newtons Universal Law of Gravitation
La seconde des lois de Newtons qui s’appliquent à la compréhension de la pesanteur en physique est le résultat de la confusion de Newton à travers les découvertes d’un autre physicien. Il essayait d'expliquer pourquoi les planètes des systèmes solaires ont des orbites elliptiques plutôt que des orbites circulaires, comme l'observe et le décrit mathématiquement par Johannes Kepler dans son ensemble de lois éponymes.
Newton a déterminé que les attractions gravitationnelles entre les planètes à mesure qu’elles se rapprochaient les unes des autres jouaient dans le mouvement des planètes. Ces planètes étaient en fait en chute libre. Il a quantifié cette attraction dans son Loi universelle de la gravitation:
F_ {grav} = G frac {m_1m_2} {r ^ 2}Où Fgrav _again est la force de gravité en newtons (N), _m1 et m2 sont les masses des premier et deuxième objets, respectivement, en kilogrammes (kg) (par exemple, la masse de la Terre et la masse de l'objet près de la Terre), et ré2 est le carré de la distance qui les sépare en mètres (m).
La variable g, appelé "big G", est la constante gravitationnelle universelle. Il a la même valeur partout dans l'univers. Newton n'a pas découvert la valeur de G (Henry Cavendish l'a trouvée expérimentalement après la mort de Newton), mais il a trouvé la proportionnalité de la force à la masse et à la distance sans elle.
L'équation montre deux relations importantes:
La théorie de Newtons est également connue sous le nom de loi du carré inverse à cause du deuxième point ci-dessus. Cela explique pourquoi l’attraction gravitationnelle entre deux objets décroît rapidement lorsqu’ils se séparent, beaucoup plus rapidement qu’en modifiant la masse de l’un ou des deux.
Exemple avec la loi universelle de Newtons de la gravitation
Quelle est la force d’attraction entre une comète de 8 000 kg et une distance de 70 000 m d’une comète de 200 kg?
begin {aligné} F_ {grav} & = 6.674 × 10 ^ {- 11} frac {m ^ 3} {kgs ^ 2} ( dfrac {8 000 kg × 200 kg} {70 000 ^ 2}) & = 2.18 × 10 ^ {- 14} end {aligné}Théorie de la relativité générale d'Albert Einsteins
Newton a fait un travail incroyable en prédisant le mouvement des objets et en quantifiant la force de gravité dans les années 1600. Mais environ 300 ans plus tard, un autre grand esprit - Albert Einstein - a défié cette pensée avec une nouvelle façon et une manière plus précise de comprendre la gravité.
Selon Einstein, la gravité est une distorsion de espace-temps, le tissu de l'univers lui-même. L'espace de déformation de masse, comme une boule de bowling, crée un retrait sur un drap de lit et des objets plus volumineux tels que des étoiles ou des trous noirs déforment l'espace avec des effets facilement observables dans un télescope - la flexion de la lumière ou le changement de mouvement d'objets proches de ces masses .
La théorie de la relativité générale d'Einsteins a fait ses preuves en expliquant pourquoi Mercure, la minuscule planète la plus proche du soleil dans notre système solaire, a une orbite avec une différence mesurable par rapport à celle prédite par les lois de Newton.
Alors que la relativité générale est plus précise dans l'explication de la gravité que les lois de Newton, la différence dans les calculs utilisant l'un ou l'autre n'est perceptible que pour la plupart à des échelles "relativistes" - observant des objets extrêmement massifs dans le cosmos ou à des vitesses proches de la lumière. Par conséquent, les lois de Newton restent utiles et pertinentes aujourd'hui pour décrire de nombreuses situations du monde réel que l'homme moyen est susceptible de rencontrer.
La gravité est importante
La partie "universelle" de la loi de gravitation universelle de Newtons n’est pas hyperbolique. Cette loi s'applique à tout dans l'univers avec une masse! Deux particules s’attirent, de même que deux galaxies. Bien sûr, à des distances suffisamment grandes, l’attraction devient si faible qu’elle devient effectivement nulle.
Étant donné l’importance de la gravité pour décrire comment toute la matière interagit, les définitions anglaises familières de la gravité (selon Oxford: "importance extrême ou alarmante; sérieux") ou gravitas ("dignité, sérieux ou solennité de manière") revêtent une signification supplémentaire. Cela dit, quand on parle de "gravité d'une situation", un physicien peut encore avoir besoin d'éclaircissements: est-ce qu'ils veulent dire en termes de gros G ou de petit g?