Definicja 1
Uważa się, że siła ciężkości działa na środek ciężkości ciała, określony przez zawieszenie ciała na nitce w różnych jego punktach. W takim przypadku punkt przecięcia wszystkich kierunków oznaczonych przez nić będzie uważany za środek ciężkości ciała.
Koncepcja grawitacji
W fizyce za grawitację uważa się siłę działającą na dowolne ciało fizyczne znajdujące się w pobliżu powierzchni ziemi lub inne ciało astronomiczne. Siła grawitacji na powierzchni planety z definicji będzie składać się z przyciągania grawitacyjnego planety, a także siły odśrodkowej bezwładności wywołanej codziennym obrotem planety.
Inne siły (na przykład przyciąganie Słońca i Księżyca) ze względu na ich małość nie są brane pod uwagę lub są badane osobno w formie tymczasowych zmian w polu grawitacyjnym Ziemi. Siła grawitacji nadaje równe przyspieszenie wszystkim ciałom, niezależnie od ich masy, reprezentując jednocześnie siłę zachowawczą. Oblicza się go w oparciu o wzór:
$\vec (P) = m\vec(g)$,
gdzie $\vec(g)$ jest przyspieszeniem nadawanym ciału przez grawitację, określanym jako przyspieszenie ziemskie.
Oprócz grawitacji na ciała poruszające się względem powierzchni Ziemi bezpośrednio oddziałuje także siła Coriolisa, czyli siła wykorzystywana do badania ruchu punktu materialnego względem obracającego się układu odniesienia. Dołączenie siły Coriolisa do sił fizycznych działających na punkt materialny umożliwi uwzględnienie wpływu obrotu układu odniesienia na taki ruch.
Ważne wzory do obliczeń
Zgodnie z prawem powszechnego ciążenia, siła przyciągania grawitacyjnego działająca na punkt materialny o masie $m$ na powierzchni ciała astronomicznego sferycznie symetrycznego o masie $M$ będzie określona zależnością:
$F=(G)\frac(Mm)(R^2)$, gdzie:
- $G$ – stała grawitacyjna,
- $R$ to promień ciała.
Zależność ta okazuje się prawdziwa, jeśli założymy sferycznie symetryczny rozkład masy w objętości ciała. Następnie siła przyciągania grawitacyjnego skierowana jest bezpośrednio na środek ciała.
Moduł odśrodkowej siły bezwładności $Q$ działającej na cząstkę materiału wyraża się wzorem:
$Q = maw^2$, gdzie:
- $a$ to odległość pomiędzy cząstką a osią obrotu rozważanego ciała astronomicznego,
- $w$ jest prędkością kątową jego obrotu. W tym przypadku odśrodkowa siła bezwładności staje się prostopadła do osi obrotu i skierowana od niej.
W formacie wektorowym wyrażenie siły odśrodkowej bezwładności zapisuje się w następujący sposób:
$\vec(Q) = (mw^2\vec(R_0))$, gdzie:
$\vec (R_0)$ jest wektorem prostopadłym do osi obrotu, który jest z niego rysowany do określonego punktu materialnego znajdującego się w pobliżu powierzchni Ziemi.
W tym przypadku siła ciężkości $\vec (P)$ będzie równa sumie $\vec (F)$ i $\vec (Q)$:
$\vec(P) = \vec(F) = \vec(Q)$
Prawo przyciągania
Bez grawitacji powstanie wielu rzeczy, które obecnie wydają nam się naturalne, byłoby niemożliwe: na przykład nie byłoby lawin schodzących z gór, przepływów rzek czy opadów. Atmosfera ziemska może być utrzymywana wyłącznie dzięki grawitacji. Planety o mniejszej masie, np. Księżyc czy Merkury, w dość szybkim tempie utraciły całą atmosferę i stały się bezbronne wobec strumieni agresywnego promieniowania kosmicznego.
Atmosfera ziemska odegrała decydującą rolę w procesie powstawania życia na Ziemi. Oprócz grawitacji na Ziemię wpływa także siła grawitacji Księżyca. Ze względu na bliskość (w skali kosmicznej) na Ziemi możliwe są przypływy i odpływy, a wiele rytmów biologicznych pokrywa się z kalendarzem księżycowym. Dlatego grawitację należy postrzegać jako przydatne i ważne prawo natury.
Uwaga 2
Prawo przyciągania jest uważane za uniwersalne i można je zastosować do dowolnych dwóch ciał o określonej masie.
W sytuacji, gdy masa jednego oddziałującego ciała okazuje się znacznie większa od masy drugiego, mówimy o szczególnym przypadku siły grawitacyjnej, dla którego istnieje specjalne określenie, np. „grawitacja”. Ma zastosowanie do zagadnień skupiających się na określeniu siły grawitacji na Ziemi lub innych ciałach niebieskich. Podstawiając wartość grawitacji do wzoru drugiego prawa Newtona, otrzymujemy:
Tutaj $a$ jest przyspieszeniem grawitacyjnym, zmuszającym ciała do dążenia do siebie. W zadaniach wykorzystujących przyspieszenie grawitacyjne takie przyspieszenie oznacza się literą $g$. Używając własnego rachunku całkowego, Newton był w stanie matematycznie udowodnić stałą koncentrację grawitacji w środku większego ciała.
Nie zrozumiałem lekcji fizyki i nie wiem, jak określić grawitację!
Odpowiedź
Grawitacja to właściwość ciał mających masę, które się przyciągają. Ciała posiadające masę zawsze się przyciągają. Przyciąganie ciał o bardzo dużych masach w skali astronomicznej wytwarza znaczne siły, dzięki którym świat jest taki, jaki go znamy.
Siła grawitacji jest przyczyną grawitacji Ziemi, która powoduje, że obiekty spadają w jej stronę. Dzięki sile grawitacji Księżyc obraca się wokół Ziemi, Ziemi i innych planet wokół Słońca, a Układ Słoneczny wokół centrum Galaktyki.
W fizyce grawitacja to siła, z jaką ciało działa na podporę lub zawieszenie pionowe. Siła ta jest zawsze skierowana pionowo w dół.
F jest siłą, z jaką działa ciało. Mierzy się go w niutonach (N).
m to masa (ciężar) ciała. Mierzone w kilogramach (kg)
g jest przyspieszeniem swobodnego spadania. Mierzy się go w niutonach podzielonych przez kilogramy (N/kg). Jego wartość jest stała i przeciętnie na powierzchni ziemi wynosi 9,8 N/kg.
Jak określić siłę przyciągania?
Przykład:
Niech masa walizki będzie wynosić 15 kg, wówczas do obliczenia siły przyciągania walizki do Ziemi skorzystamy ze wzoru:
F= m*g = 15*9,8 = 147 N.
Oznacza to, że siła przyciągania walizki wynosi 147 niutonów.
Wartość g dla planety Ziemia nie jest taka sama – na równiku wynosi 9,83 N/kg, a na biegunach 9,78 N/kg. Dlatego bierzemy średnią wartość, którą zastosowaliśmy do obliczeń. Dokładne wartości dla różnych regionów planety wykorzystywane są w przemyśle lotniczym, a także zwraca się na nie uwagę w sporcie, przygotowując sportowców do udziału w zawodach w innych krajach.
Informacje historyczne: słynny angielski fizyk Izaak Newton jako pierwszy obliczył g i wyprowadził wzór na grawitację, a dokładniej wzór na siłę, z jaką ciało oddziałuje na inne ciała, w 1687 roku. To na jego cześć nazwano jednostkę miary siły. Istnieje legenda, że Newton zaczął zgłębiać zagadnienie grawitacji po tym, jak jabłko spadło mu na głowę.
Konieczne jest poznanie punktu przyłożenia i kierunku każdej siły. Ważne jest, aby móc określić, jakie siły działają na ciało i w jakim kierunku. Siłę oznacza się jako , mierzoną w Newtonach. Aby rozróżnić siły, oznacza się je w następujący sposób
Poniżej znajdują się główne siły działające w przyrodzie. Przy rozwiązywaniu problemów nie da się wymyślić sił, które nie istnieją!
W naturze istnieje wiele sił. Rozważamy tutaj siły, które są uwzględniane na szkolnym kursie fizyki podczas studiowania dynamiki. Wspomina się także o innych siłach, które zostaną omówione w innych rozdziałach.
Powaga
Każde ciało na planecie podlega wpływowi grawitacji Ziemi. Siłę, z jaką Ziemia przyciąga każde ciało, określa wzór
Punkt przyłożenia znajduje się w środku ciężkości ciała. Powaga zawsze skierowane pionowo w dół.
Siła tarcia
Zapoznajmy się z siłą tarcia. Siła ta występuje, gdy ciała się poruszają i stykają się dwie powierzchnie. Siła ta występuje, ponieważ powierzchnie oglądane pod mikroskopem nie są tak gładkie, jak się wydają. Siłę tarcia określa się ze wzoru:
Siła jest przykładana w punkcie styku dwóch powierzchni. Skierowany w kierunku przeciwnym do ruchu.
Siła reakcji podłoża
Wyobraźmy sobie bardzo ciężki przedmiot leżący na stole. Stół ugina się pod ciężarem przedmiotu. Ale zgodnie z trzecim prawem Newtona stół działa na przedmiot z dokładnie taką samą siłą, jak przedmiot na stole. Siła jest skierowana przeciwnie do siły, z jaką przedmiot naciska na stół. To znaczy w górę. Siła ta nazywana jest reakcją podłoża. Imię siły „mówi” wsparcie reaguje. Siła ta występuje zawsze, gdy następuje uderzenie w podporę. Charakter jego występowania na poziomie molekularnym. Obiekt zdawał się deformować zwykłe położenie i połączenia cząsteczek (wewnątrz stołu), one z kolei dążą do powrotu do swojego pierwotnego stanu, „przeciwstawiają się”.
Absolutnie każde ciało, nawet bardzo lekkie (np. leżący na stole ołówek), deformuje podporę na poziomie mikro. Dlatego zachodzi reakcja podłoża.
Nie ma specjalnego wzoru na znalezienie tej siły. Jest ona oznaczona literą , ale siła ta jest po prostu odrębnym rodzajem siły sprężystości, zatem można ją również oznaczyć jako
Siła przykładana jest w miejscu kontaktu obiektu z podporą. Skierowany prostopadle do podpory.
Ponieważ ciało jest reprezentowane jako punkt materialny, siłę można przedstawić od środka
Siła sprężystości
Siła ta powstaje w wyniku odkształcenia (zmiany stanu początkowego substancji). Na przykład, rozciągając sprężynę, zwiększamy odległość między cząsteczkami materiału sprężyny. Kiedy ściskamy sprężynę, zmniejszamy ją. Kiedy skręcamy lub przesuwamy. We wszystkich tych przykładach pojawia się siła zapobiegająca odkształceniu – siła sprężystości.
Prawo Hooke’a
Siła sprężystości jest skierowana przeciwnie do odkształcenia.
Ponieważ ciało jest reprezentowane jako punkt materialny, siłę można przedstawić od środka
Na przykład podczas łączenia szeregowego sprężyn sztywność oblicza się ze wzoru
Przy połączeniu równoległym sztywność
Próbka sztywności. Moduł Younga.
Moduł Younga charakteryzuje właściwości sprężyste substancji. Jest to wartość stała, zależna wyłącznie od materiału i jego stanu fizycznego. Charakteryzuje odporność materiału na odkształcenia rozciągające lub ściskające. Wartość modułu Younga jest tabelaryczna.
Przeczytaj więcej o właściwościach ciał stałych.
Masy ciała
Masa ciała to siła, z jaką obiekt działa na podporę. Mówisz, że to siła grawitacji! Zamieszanie następuje w następujący sposób: rzeczywiście często ciężar ciała jest równy sile grawitacji, ale siły te są zupełnie inne. Grawitacja to siła powstająca w wyniku oddziaływania z Ziemią. Waga jest wynikiem interakcji ze wsparciem. Siła ciężkości przykładana jest w środku ciężkości obiektu, natomiast ciężar to siła przykładana do podpory (nie do obiektu)!
Nie ma wzoru na określenie wagi. Siła ta jest oznaczona literą.
Siła reakcji podpory lub siła sprężystości powstaje w odpowiedzi na uderzenie obiektu w zawieszenie lub podporę, dlatego ciężar ciała jest zawsze liczbowo równy sile sprężystości, ale ma przeciwny kierunek.
Siła reakcji podpory i ciężar są siłami tej samej natury, zgodnie z III zasadą Newtona są one równe i przeciwnie skierowane. Ciężar to siła działająca na podporę, a nie na ciało. Na ciało działa siła ciężkości.
Masa ciała może nie być równa grawitacji. Może być mniej więcej lub może być tak, że waga wynosi zero. Ten stan nazywa się nieważkość. Nieważkość to stan, w którym obiekt nie oddziałuje z podporą, na przykład stan lotu: jest grawitacja, ale ciężar wynosi zero!
Kierunek przyspieszenia można określić, jeśli określi się, gdzie skierowana jest siła wypadkowa
Należy pamiętać, że ciężar to siła mierzona w Newtonach. Jak poprawnie odpowiedzieć na pytanie: „Ile ważysz”? Odpowiadamy 50 kg, nie podając naszej wagi, ale naszą masę! W tym przykładzie nasza waga jest równa grawitacji, czyli około 500N!
Przeciążać- stosunek ciężaru do grawitacji
Siła Archimedesa
Siła powstaje w wyniku oddziaływania ciała z cieczą (gazem), gdy jest ono zanurzone w cieczy (lub gazie). Siła ta wypycha ciało z wody (gazu). Dlatego jest skierowany pionowo w górę (wypycha). Określone według wzoru:
W powietrzu zaniedbujemy moc Archimedesa.
Jeśli siła Archimedesa jest równa sile grawitacji, ciało unosi się na wodzie. Jeśli siła Archimedesa jest większa, wówczas unosi się ona na powierzchnię cieczy, jeśli jest mniejsza, opada.
Siły elektryczne
Istnieją siły pochodzenia elektrycznego. Zachodzi w obecności ładunku elektrycznego. Siły te, takie jak siła Coulomba, siła Ampera, siła Lorentza, zostały szczegółowo omówione w rozdziale Elektryczność.
Schematyczne oznaczenie sił działających na ciało
Często ciało modeluje się jako punkt materialny. Dlatego na diagramach różne punkty zastosowania są przenoszone do jednego punktu - do środka, a ciało jest przedstawiane schematycznie jako okrąg lub prostokąt.
Aby poprawnie wyznaczyć siły, należy wymienić wszystkie ciała, z którymi oddziałuje badane ciało. Określ, co dzieje się w wyniku interakcji z każdym z nich: tarcie, deformacja, przyciąganie, a może odpychanie. Określ rodzaj siły i poprawnie wskaż jej kierunek. Uwaga! Ilość sił będzie się pokrywać z liczbą ciał, z którymi zachodzi interakcja.
Najważniejszą rzeczą do zapamiętania
1) Siły i ich natura;
2) Kierunek sił;
3) Potrafić zidentyfikować działające siły
Istnieje tarcie zewnętrzne (suche) i wewnętrzne (lepkie). Tarcie zewnętrzne występuje pomiędzy stykającymi się powierzchniami stałymi, tarcie wewnętrzne występuje pomiędzy warstwami cieczy lub gazu podczas ich względnego ruchu. Wyróżnia się trzy rodzaje tarcia zewnętrznego: tarcie statyczne, tarcie ślizgowe i tarcie toczne.
Tarcie toczne określa się ze wzoru
Siła oporu występuje, gdy ciało porusza się w cieczy lub gazie. Wielkość siły oporu zależy od wielkości i kształtu ciała, prędkości jego ruchu oraz właściwości cieczy lub gazu. Przy małych prędkościach ruchu siła oporu jest proporcjonalna do prędkości ciała
Przy dużych prędkościach jest ona proporcjonalna do kwadratu prędkości
Rozważmy wzajemne przyciąganie obiektu i Ziemi. Pomiędzy nimi, zgodnie z prawem grawitacji, powstaje siła 
Porównajmy teraz prawo grawitacji i siłę grawitacji 
Wielkość przyspieszenia grawitacyjnego zależy od masy Ziemi i jej promienia! Można zatem obliczyć, z jakim przyspieszeniem spadną obiekty na Księżycu lub innej planecie, wykorzystując masę i promień tej planety.
Odległość od środka Ziemi do biegunów jest mniejsza niż do równika. Dlatego przyspieszenie grawitacyjne na równiku jest nieco mniejsze niż na biegunach. Jednocześnie należy zauważyć, że główną przyczyną zależności przyspieszenia ziemskiego od szerokości geograficznej obszaru jest fakt obrotu Ziemi wokół własnej osi.
W miarę oddalania się od powierzchni Ziemi siła grawitacji i przyspieszenie grawitacyjne zmieniają się odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu odległości do środka Ziemi.
Grawitacja to siła, z jaką Ziemia przyciąga ciało znajdujące się blisko jej powierzchni. .
Zjawiska grawitacji można zaobserwować wszędzie w otaczającym nas świecie. Wyrzucona w górę piłka spada, rzucony poziomo kamień po pewnym czasie ląduje na ziemi. Sztuczny satelita wystrzelony z Ziemi, pod wpływem działania grawitacji, nie leci po linii prostej, ale porusza się po Ziemi.
Powaga zawsze skierowany pionowo w dół, w stronę środka Ziemi. Jest to oznaczone literą łacińską Ft (T- ciężkość). Siła ciężkości działa na środek ciężkości ciała.
Aby znaleźć środek ciężkości dowolnego kształtu, musisz zawiesić ciało na nitce w różnych jego punktach. Punkt przecięcia wszystkich kierunków oznaczonych przez nić będzie środkiem ciężkości ciała. Środek ciężkości ciał o regularnym kształcie znajduje się w środku symetrii ciała i nie jest konieczne, aby należał do ciała (na przykład środek symetrii pierścienia).
Dla ciała znajdującego się blisko powierzchni Ziemi siła ciężkości jest równa:
gdzie jest masa Ziemi, M- masa ciała, R- promień Ziemi.
Jeśli tylko ta siła działa na ciało (a wszystkie pozostałe się równoważą), wówczas następuje swobodny spadek. Przyspieszenie tego swobodnego spadku można obliczyć, stosując drugie prawo Newtona:
(2)
Z tego wzoru możemy wywnioskować, że przyspieszenie ziemskie nie zależy od masy ciała M jest zatem taki sam dla wszystkich ciał. Zgodnie z drugim prawem Newtona grawitację można zdefiniować jako iloczyn masy ciała i jego przyspieszenia (w tym przypadku przyspieszenia grawitacyjnego G);
Powaga działające na ciało jest równe iloczynowi masy ciała i przyspieszenia ziemskiego.
Podobnie jak drugie prawo Newtona, wzór (2) obowiązuje tylko w inercjalnych układach odniesienia. Na powierzchni Ziemi inercyjnymi układami odniesienia mogą być jedynie układy powiązane z biegunami Ziemi, które nie biorą udziału w jej codziennym obrocie. Wszystkie pozostałe punkty na powierzchni Ziemi poruszają się po okręgach z przyspieszeniami dośrodkowymi, a układy odniesienia powiązane z tymi punktami nie są bezwładnościowe.
Ze względu na obrót Ziemi przyspieszenie grawitacyjne na różnych szerokościach geograficznych jest różne. Jednak przyspieszenie ziemskie w różnych regionach globu różni się bardzo nieznacznie i bardzo niewiele różni się od wartości obliczonej ze wzoru
Dlatego w przybliżonych obliczeniach pomija się bezwładność układu odniesienia związanego z powierzchnią Ziemi i przyjmuje się, że przyspieszenie swobodnego spadania jest wszędzie takie samo.
Absolutnie wszystkie ciała we Wszechświecie podlegają działaniu magicznej siły, która w jakiś sposób przyciąga je do Ziemi (a dokładniej do jej jądra). Nie ma gdzie uciec, nie ma gdzie się ukryć przed wszechogarniającą magiczną grawitacją: planety naszego Układu Słonecznego przyciągają się nie tylko do ogromnego Słońca, ale także do siebie nawzajem, wszystkie obiekty, cząsteczki i najmniejsze atomy również przyciągają się wzajemnie . znany nawet małym dzieciom, poświęcając swoje życie badaniu tego zjawiska, ustanowił jedno z największych praw - prawo powszechnego ciążenia.
Czym jest grawitacja?
Definicja i formuła są od dawna znane wielu. Przypomnijmy, że grawitacja to pewna wielkość, jeden z naturalnych przejawów powszechnej grawitacji, a mianowicie: siła, z jaką każde ciało niezmiennie przyciągane jest do Ziemi.
Grawitację oznacza się łacińską literą F. Grawitacja.
Grawitacja: formuła
Jak obliczyć kierunek do konkretnego ciała? Jakie inne ilości musisz w tym celu znać? Wzór na obliczenie grawitacji jest dość prosty, uczy się go w siódmej klasie szkoły średniej, na początku kursu fizyki. Aby nie tylko poznać, ale i zrozumieć, należy wyjść z faktu, że siła ciężkości, która niezmiennie działa na ciało, jest wprost proporcjonalna do jego wartości ilościowej (masy).
Jednostka ciężkości została nazwana na cześć wielkiego naukowca - Newtona.
Jest on zawsze skierowany ściśle w dół, w stronę środka jądra Ziemi, dzięki jego wpływowi wszystkie ciała spadają w dół z równym przyspieszeniem. Zjawiska grawitacji w życiu codziennym obserwujemy wszędzie i stale:
- przedmioty przypadkowo lub celowo wypuszczone z rąk koniecznie spadają na Ziemię (lub na jakąkolwiek powierzchnię uniemożliwiającą swobodny spadek);
- satelita wystrzelony w przestrzeń kosmiczną nie odlatuje od naszej planety na nieokreśloną odległość prostopadle do góry, lecz pozostaje w ruchu obrotowym po orbicie;
- wszystkie rzeki wypływają z gór i nie można ich zawrócić;
- czasami ktoś upada i zostaje ranny;
- maleńkie drobinki kurzu osadzają się na wszystkich powierzchniach;
- powietrze koncentruje się blisko powierzchni ziemi;
- torby trudne do noszenia;
- Z chmur kapie deszcz, pada śnieg i grad.
Wraz z pojęciem „grawitacji” używany jest termin „masa ciała”. Jeżeli ciało ułożone jest na płaskiej, poziomej powierzchni, to jego ciężar i ciężar są liczbowo równe, dlatego często te dwa pojęcia są zastępowane, co wcale nie jest poprawne.
Przyśpieszenie grawitacyjne
Pojęcie „przyspieszenia grawitacyjnego” (innymi słowy jest powiązane z terminem „siła ciężkości”. Wzór pokazuje: aby obliczyć siłę ciężkości, należy pomnożyć masę przez g (przyspieszenie grawitacyjne) .
„g” = 9,8 N/kg, jest to wartość stała. Jednak dokładniejsze pomiary pokazują, że na skutek obrotu Ziemi wartość przyspieszenia Św. n. nie jest taki sam i zależy od szerokości geograficznej: na biegunie północnym = 9,832 N/kg, a na gorącym równiku = 9,78 N/kg. Okazuje się, że w różnych miejscach planety na ciała o jednakowej masie skierowane są różne siły grawitacji (wzór mg pozostaje niezmieniony). Do obliczeń praktycznych zdecydowano się uwzględnić drobne błędy w tej wartości i przyjąć średnią wartość 9,8 N/kg.
Proporcjonalność takiej wielkości jak grawitacja (dowodzi tego wzór) pozwala zmierzyć ciężar przedmiotu za pomocą dynamometru (podobnie jak w zwykłym gospodarstwie domowym). Należy pamiętać, że urządzenie pokazuje tylko siłę, ponieważ aby określić dokładną masę ciała, należy znać regionalną wartość g.
Czy grawitacja działa w dowolnej odległości (zarówno bliskiej, jak i dalekiej) od środka Ziemi? Newton postawił hipotezę, że działa on na ciało nawet w znacznej odległości od Ziemi, jednak jego wartość maleje odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu odległości obiektu od jądra Ziemi.
Grawitacja w Układzie Słonecznym
Czy istnieje definicja i wzór dotyczący innych planet, które pozostają aktualne? Z jedną tylko różnicą w znaczeniu „g”:
- na Księżycu = 1,62 N/kg (sześć razy mniej niż na Ziemi);
- na Neptunie = 13,5 N/kg (prawie półtora raza więcej niż na Ziemi);
- na Marsie = 3,73 N/kg (ponad dwa i pół razy mniej niż na naszej planecie);
- na Saturnie = 10,44 N/kg;
- na rtęci = 3,7 N/kg;
- na Wenus = 8,8 N/kg;
- na Uranie = 9,8 N/kg (prawie tyle samo co u nas);
- na Jowiszu = 24 N/kg (prawie dwa i pół razy więcej).
