Berdasarkan uraian di atas planet yang memiliki pengaruh kuat medan gravitasi terkecil adalah

Lihat Foto

Table of Contents Show

medan gravitasi
Teori gravitasi
tugas gerakan
gravitasi Newton
Berat dan gravitasi
kecepatan kosmik pertama
Kecepatan ruang kedua
gravitasi bumi
medan gravitasi bumi
Hukum gravitasi dan Sir Isaac Newton
Video yang berhubungan

Curtin University

Besaran gravitasi Bumi ternyata bervariasi di setiap wilayah. Tempat yang lebih tinggi seperti Gunung Everest (tengah) punya gravitasi lebih rendah. Dengan demikian, manusia yang berada di wilayah itu akan memiliki berat lebih rendah.

KOMPAS.com — Gravitasi hampir selalu diasumsikan sama di semua wilayah di Bumi. Namun kenyataannya, besaran gravitasi bervariasi dari satu tempat dengan tempat lain.

Christian Hirt dari Curtin University di Perth dan rekannya mengombinasikan data gravitasi yang diperoleh dari satelit dan data topografi untuk menyusun peta gravitasi Bumi.

Peta mencakup wilayah antara 60 derajat Lintang Utara hingga 60 derajat Lintang Selatan, meliputi 80 persen dari seluruh wilayah Bumi.

Peta terdiri dari 3 miliar titik dengan resolusi 250 meter. Dengan komputer standar, perlu 5 detik untuk menyelesaikan satu titik. Dengan superkomputer, peneliti menyelesaikan seluruhnya dalam 3 minggu.

Sebelum pembuatan peta ini, peneliti pernah melakukan pengukuran dengan metode standar. Mereka menemukan, tempat dengan gravitasi terendah adalah khatulistiwa dan tertinggi adalah Arktik.

Berdasarkan pengukuran itu, percepatan gravitasi di khatulistiwa 9.7803 m/s2 sementara di permukaan Arktik sebesar 9.8337 m/s2.

Pemetaan oleh Hirt menunjukkan perbedaan percepatan gravitasi yang lebih ekstrem. Tempat dengan gravitasi terendah adalah Gunung Nevado Huascaran di Peru, sementara yang tertinggi tetap Arktik.

Percepatan gravitasi di Gunung Nevadi Huascaran adalah 9.7639 m/s2 sementara di wilayah Arktik sebesar 9.8337 m/s2.

"Munculnya Nevado sebagai wilayah dengan percepatan gravitasi terendah cukup mengagetkan karena gunung ini terletak 1.000 kilometer di selatan garis khatulistiwa," kata Hirt seperti dikutip dari New Scientist, Senin (19/8/2013).

"Jarak suatu wilayah dengan garis khatulistiwa lebih berpengaruh pada kenaikan percepatan gravitasi daripada ketinggian gunung dan anomali lokal," imbuhnya.

Jika seseorang menjatuhkan benda secara bersamaan dari ketinggian 100 meter dari Nevado dan Samudera Arktik, maka benda yang jatuh di Samudera Arktik akan mencapai permukaan Bumi 16 milidetik lebih dulu daripada yang ada di Nevado.

Perbedaan ini juga akan berpengaruh pada berat seseorang. Seseorang yang berada di Arktik akan memiliki berat satu persen lebih besar daripada jika ia berada di Nevado. Namun, gaya gravitasi ini hanya berpengaruh pada berat, sedangkan massa yang dimilikinya tetap.

Pengukuran yang lebih akurat mengenai medan gravitasi di Bumi sangatlah diperlukan dalam proses pembangunan di Bumi. Pembuatan lorong, waduk, hingga bangunan-bangunan tinggi membutuhkan data gravitasi lokal untuk memandu mengukur ketinggian yang mungkin diaplikasikan pada bangunan tersebut. (Dyah Arum Narwastu)Dapatkan update berita pilihan dan breaking news setiap hari dari Kompas.com. Mari bergabung di Grup Telegram "Kompas.com News Update", caranya klik link https://t.me/kompascomupdate, kemudian join. Anda harus install aplikasi Telegram terlebih dulu di ponsel.

Baca berikutnya

Terlepas dari kenyataan bahwa gravitasi adalah interaksi terlemah antara benda-benda di alam semesta, kepentingannya dalam fisika dan astronomi sangat besar, karena ia mampu mempengaruhi benda-benda fisik pada jarak berapa pun di ruang angkasa.

Jika Anda menyukai astronomi, Anda mungkin memikirkan pertanyaan tentang apa yang disebut gravitasi atau hukum gravitasi universal. Gravitasi adalah interaksi fundamental universal antara semua objek di alam semesta.

Penemuan hukum gravitasi dikaitkan dengan fisikawan Inggris terkenal Isaac Newton. Mungkin banyak dari Anda yang mengetahui kisah sebuah apel yang jatuh di atas kepala seorang ilmuwan terkenal. Namun demikian, jika Anda melihat jauh ke dalam sejarah, Anda dapat melihat bahwa keberadaan gravitasi telah dipikirkan jauh sebelum zamannya oleh para filsuf dan ilmuwan zaman kuno, misalnya Epicurus. Namun demikian, Newtonlah yang pertama kali menggambarkan interaksi gravitasi antara benda-benda fisik dalam kerangka mekanika klasik. Teorinya dikembangkan oleh ilmuwan terkenal lainnya - Albert Einstein, yang dalam teori relativitas umumnya lebih akurat menggambarkan pengaruh gravitasi di ruang angkasa, serta perannya dalam kontinum ruang-waktu.

Hukum gravitasi universal Newton mengatakan bahwa gaya tarik gravitasi antara dua titik massa yang dipisahkan oleh jarak berbanding terbalik dengan kuadrat jarak dan berbanding lurus dengan kedua massa. Gaya gravitasi adalah jarak jauh. Artinya, terlepas dari bagaimana sebuah benda dengan massa bergerak, dalam mekanika klasik, potensi gravitasinya akan bergantung sepenuhnya pada posisi objek ini pada saat tertentu dalam waktu. Semakin besar massa suatu benda, semakin besar medan gravitasinya - semakin kuat gaya gravitasi yang dimilikinya. Objek kosmik seperti galaksi, bintang, dan planet memiliki gaya tarik terbesar dan, karenanya, medan gravitasi yang cukup kuat.

medan gravitasi

medan gravitasi bumi

Medan gravitasi adalah jarak di mana interaksi gravitasi antara benda-benda di alam semesta dilakukan. Semakin besar massa suatu benda, semakin kuat medan gravitasinya - semakin terlihat dampaknya pada tubuh fisik lain dalam ruang tertentu. Medan gravitasi suatu benda adalah potensial. Inti dari pernyataan sebelumnya adalah bahwa jika kita memperkenalkan energi potensial tarik-menarik antara dua benda, maka itu tidak akan berubah setelah yang terakhir bergerak sepanjang kontur tertutup. Dari sini muncul hukum kekekalan lain yang terkenal dari jumlah energi potensial dan kinetik dalam rangkaian tertutup.

Di dunia material, medan gravitasi sangat penting. Itu dimiliki oleh semua benda material di alam semesta yang memiliki massa. Medan gravitasi dapat mempengaruhi tidak hanya materi, tetapi juga energi. Karena pengaruh medan gravitasi benda-benda luar angkasa besar seperti lubang hitam, quasar, dan bintang supermasif, tata surya, galaksi, dan kluster astronomi lainnya terbentuk, yang dicirikan oleh struktur logis.

Data ilmiah terbaru menunjukkan bahwa efek terkenal dari perluasan Semesta juga didasarkan pada hukum interaksi gravitasi. Secara khusus, perluasan Semesta difasilitasi oleh medan gravitasi yang kuat, baik objek kecil maupun terbesarnya.

Radiasi gravitasi dalam sistem biner

Radiasi gravitasi atau gelombang gravitasi adalah istilah yang pertama kali diperkenalkan ke dalam fisika dan kosmologi oleh ilmuwan terkenal Albert Einstein. Radiasi gravitasi dalam teori gravitasi dihasilkan oleh pergerakan benda material dengan percepatan variabel. Selama percepatan objek, gelombang gravitasi, seolah-olah, "melepaskan diri" darinya, yang mengarah pada fluktuasi medan gravitasi di ruang sekitarnya. Ini disebut efek gelombang gravitasi.

Meskipun gelombang gravitasi diprediksi oleh teori relativitas umum Einstein, serta teori gravitasi lainnya, mereka tidak pernah terdeteksi secara langsung. Ini terutama karena ukurannya yang sangat kecil. Namun, ada bukti tidak langsung dalam astronomi yang dapat mengkonfirmasi efek ini. Dengan demikian, efek gelombang gravitasi dapat diamati pada contoh pendekatan bintang biner. Pengamatan mengkonfirmasi bahwa tingkat pendekatan bintang biner sampai batas tertentu tergantung pada hilangnya energi benda-benda angkasa ini, yang mungkin dihabiskan untuk radiasi gravitasi. Para ilmuwan akan dapat dengan andal mengkonfirmasi hipotesis ini dalam waktu dekat dengan bantuan teleskop LIGO dan VIRGO generasi baru.

Dalam fisika modern, ada dua konsep mekanika: klasik dan kuantum. Mekanika kuantum diturunkan relatif baru-baru ini dan secara fundamental berbeda dari mekanika klasik. Dalam mekanika kuantum, objek (kuanta) tidak memiliki posisi dan kecepatan yang pasti, semuanya di sini didasarkan pada probabilitas. Artinya, suatu benda dapat menempati tempat tertentu dalam ruang pada titik waktu tertentu. Mustahil untuk menentukan dengan andal ke mana dia akan bergerak selanjutnya, tetapi hanya dengan tingkat probabilitas yang tinggi.

Efek gravitasi yang menarik adalah ia dapat membengkokkan kontinum ruang-waktu. Teori Einstein mengatakan bahwa di ruang di sekitar sekelompok energi atau zat material apa pun, ruang-waktu melengkung. Dengan demikian, lintasan partikel yang jatuh di bawah pengaruh medan gravitasi zat ini berubah, yang memungkinkan untuk memprediksi lintasan pergerakan mereka dengan tingkat probabilitas yang tinggi.

Teori gravitasi

Saat ini, para ilmuwan mengetahui lebih dari selusin teori gravitasi yang berbeda. Mereka dibagi menjadi teori klasik dan alternatif. Perwakilan paling terkenal dari yang pertama adalah teori gravitasi klasik oleh Isaac Newton, yang ditemukan oleh fisikawan Inggris yang terkenal pada tahun 1666. Esensinya terletak pada kenyataan bahwa benda besar dalam mekanika menghasilkan medan gravitasi di sekitarnya, yang menarik objek yang lebih kecil ke dirinya sendiri. Pada gilirannya, yang terakhir juga memiliki medan gravitasi, seperti objek material lainnya di Semesta.

Teori gravitasi populer berikutnya ditemukan oleh ilmuwan Jerman terkenal dunia Albert Einstein pada awal abad ke-20. Einstein berhasil menggambarkan gravitasi secara lebih akurat sebagai sebuah fenomena, dan juga menjelaskan aksinya tidak hanya dalam mekanika klasik, tetapi juga di dunia kuantum. Teori relativitas umumnya menggambarkan kemampuan gaya seperti gravitasi untuk mempengaruhi kontinum ruang-waktu, serta lintasan partikel elementer di ruang angkasa.

Di antara teori gravitasi alternatif, mungkin yang paling mendapat perhatian adalah teori relativistik, yang ditemukan oleh rekan senegara kita, fisikawan terkenal A.A. logon Tidak seperti Einstein, Logunov berpendapat bahwa gravitasi bukanlah geometris, tetapi medan gaya fisik yang nyata dan cukup kuat. Di antara teori-teori alternatif gravitasi, skalar, bimetri, quasi-linear dan lain-lain juga dikenal.

Bagi orang yang pernah berada di luar angkasa dan kembali ke Bumi, pada awalnya cukup sulit untuk membiasakan diri dengan gaya pengaruh gravitasi planet kita. Terkadang butuh beberapa minggu.
Telah terbukti bahwa tubuh manusia dalam keadaan tanpa bobot dapat kehilangan hingga 1% massa sumsum tulang per bulan.
Di antara planet-planet, Mars memiliki gaya tarik paling kecil di tata surya, dan Jupiter memiliki gaya tarik paling besar.
Bakteri salmonella yang terkenal, yang merupakan penyebab penyakit usus, berperilaku lebih aktif dalam keadaan tanpa bobot dan dapat menyebabkan lebih banyak kerusakan pada tubuh manusia.
Di antara semua objek astronomi yang diketahui di alam semesta, lubang hitam memiliki gaya gravitasi terbesar. Sebuah lubang hitam seukuran bola golf bisa memiliki gaya gravitasi yang sama dengan seluruh planet kita.
Gaya gravitasi di Bumi tidak sama di semua sudut planet kita. Misalnya, di wilayah Teluk Hudson di Kanada, itu lebih rendah daripada di wilayah lain di dunia.

Fenomena paling penting yang terus dipelajari oleh fisikawan adalah gerak. Fenomena elektromagnetik, hukum mekanika, termodinamika dan proses kuantum - semua ini adalah berbagai fragmen alam semesta yang dipelajari oleh fisika. Dan semua proses ini turun, dengan satu atau lain cara, ke satu hal - ke.

dalam kontak dengan

Segala sesuatu di alam semesta bergerak. Gravitasi adalah fenomena yang akrab bagi semua orang sejak kecil, kita dilahirkan di medan gravitasi planet kita, fenomena fisik ini dirasakan oleh kita pada tingkat intuitif terdalam dan, tampaknya, bahkan tidak memerlukan studi.

Tapi, sayangnya, pertanyaannya adalah mengapa dan Bagaimana semua tubuh menarik satu sama lain?, tetap sampai hari ini belum terungkap sepenuhnya, meskipun telah dipelajari secara turun-temurun.

Dalam artikel ini, kita akan membahas apa itu daya tarik universal Newton - teori gravitasi klasik. Namun, sebelum beralih ke rumus dan contoh, mari kita bicara tentang esensi masalah daya tarik dan memberikan definisi.

Mungkin studi tentang gravitasi adalah awal dari filsafat alam (ilmu memahami esensi hal-hal), mungkin filsafat alam memunculkan pertanyaan tentang esensi gravitasi, tetapi, dengan satu atau lain cara, pertanyaan tentang gravitasi benda. tertarik pada Yunani kuno.

Gerakan dipahami sebagai esensi dari karakteristik sensual tubuh, atau lebih tepatnya, tubuh bergerak saat pengamat melihatnya. Jika kita tidak dapat mengukur, menimbang, merasakan suatu fenomena, apakah ini berarti fenomena tersebut tidak ada? Secara alami, tidak. Dan sejak Aristoteles memahami hal ini, refleksi tentang esensi gravitasi dimulai.

Ternyata hari ini, setelah puluhan abad, gravitasi adalah dasar tidak hanya dari daya tarik bumi dan daya tarik planet kita, tetapi juga dasar asal usul Semesta dan hampir semua partikel elementer yang ada.

tugas gerakan

Mari kita lakukan eksperimen pikiran. Ambil bola kecil di tangan kiri Anda. Mari kita ambil yang sama di sebelah kanan. Mari kita lepaskan bola yang tepat, dan itu akan mulai jatuh. Yang kiri tetap di tangan, masih tidak bergerak.

Mari kita hentikan waktu secara mental. Bola kanan yang jatuh "menggantung" di udara, yang kiri masih ada di tangan. Bola kanan diberkahi dengan "energi" gerakan, yang kiri tidak. Tapi apa perbedaan yang dalam dan bermakna di antara mereka?

Di mana, di bagian mana dari bola yang jatuh itu tertulis bahwa ia harus bergerak? Memiliki massa yang sama, volume yang sama. Ia memiliki atom yang sama, dan mereka tidak berbeda dari atom bola yang diam. Bola memiliki? Ya, ini adalah jawaban yang benar, tetapi bagaimana bola mengetahui bahwa ia memiliki energi potensial, di mana itu dicatat?

Ini adalah tugas yang ditetapkan oleh Aristoteles, Newton dan Albert Einstein. Dan ketiga pemikir brilian tersebut sebagian memecahkan masalah ini untuk diri mereka sendiri, tetapi hari ini ada sejumlah masalah yang perlu diselesaikan.

gravitasi Newton

Pada tahun 1666, fisikawan dan mekanik Inggris terbesar I. Newton menemukan hukum yang mampu menghitung secara kuantitatif gaya yang menyebabkan semua materi di alam semesta cenderung satu sama lain. Fenomena ini disebut gravitasi universal. Ketika ditanya: "Rumuskan hukum gravitasi universal", jawaban Anda akan terdengar seperti ini:

Gaya interaksi gravitasi, yang berkontribusi pada daya tarik dua benda, adalah dalam proporsi langsung dengan massa badan-badan ini dan berbanding terbalik dengan jarak antara keduanya.

Penting! Hukum tarik-menarik Newton menggunakan istilah "jarak". Istilah ini harus dipahami bukan sebagai jarak antara permukaan benda, tetapi sebagai jarak antara pusat gravitasinya. Misalnya, jika dua bola dengan jari-jari r1 dan r2 terletak di atas satu sama lain, maka jarak antara permukaannya adalah nol, tetapi ada gaya tarik-menarik. Intinya adalah bahwa jarak antara pusat mereka r1+r2 bukan nol. Pada skala kosmik, penyempurnaan ini tidak penting, tetapi untuk satelit yang mengorbit, jarak ini sama dengan ketinggian di atas permukaan ditambah jari-jari planet kita. Jarak antara Bumi dan Bulan juga diukur sebagai jarak antara pusatnya, bukan permukaannya.

Untuk hukum gravitasi, rumusnya adalah sebagai berikut:

F adalah gaya tarik-menarik,
- massa,
r - jarak,
G adalah konstanta gravitasi, sama dengan 6,67 10−11 m³ / (kg s²).

Berapa beratnya, jika kita baru saja mempertimbangkan gaya tarik-menarik?

Gaya adalah besaran vektor, tetapi dalam hukum gravitasi universal secara tradisional ditulis sebagai skalar. Dalam gambar vektor, hukum akan terlihat seperti ini:

Tetapi ini tidak berarti bahwa gaya berbanding terbalik dengan pangkat tiga jarak antara pusat. Rasio harus dipahami sebagai vektor satuan yang diarahkan dari satu pusat ke pusat lainnya:

Hukum interaksi gravitasi

Berat dan gravitasi

Setelah mempertimbangkan hukum gravitasi, seseorang dapat memahami bahwa tidak ada yang mengejutkan dalam kenyataan bahwa kita secara pribadi kita merasa daya tarik matahari jauh lebih lemah dari pada bumi. Matahari yang masif, meskipun memiliki massa yang besar, sangat jauh dari kita. juga jauh dari Matahari, tetapi tertarik padanya, karena memiliki massa yang besar. Bagaimana menemukan gaya tarik-menarik dua benda, yaitu, bagaimana menghitung gaya gravitasi Matahari, Bumi dan Anda dan saya - kita akan membahas masalah ini nanti.

Sejauh yang kita ketahui, gaya gravitasi adalah:

di mana m adalah massa kita, dan g adalah percepatan jatuh bebas Bumi (9,81 m/s 2).

Penting! Tidak ada dua, tiga, sepuluh jenis gaya tarik-menarik. Gravitasi adalah satu-satunya kekuatan yang mengukur daya tarik. Berat (P = mg) dan gaya gravitasi adalah satu dan sama.

Jika m adalah massa kita, M adalah massa bola, R adalah jari-jarinya, maka gaya gravitasi yang bekerja pada kita adalah:

Jadi, karena F = mg:

Massa m dibatalkan, meninggalkan ekspresi untuk percepatan jatuh bebas:

Seperti yang Anda lihat, percepatan jatuh bebas memang merupakan nilai konstan, karena rumusnya mencakup nilai konstan - jari-jari, massa Bumi, dan konstanta gravitasi. Mengganti nilai konstanta ini, kami akan memastikan bahwa percepatan jatuh bebas sama dengan 9,81 m / s 2.

Pada lintang yang berbeda, jari-jari planet agak berbeda, karena Bumi masih belum bulat sempurna. Karena itu, percepatan jatuh bebas di berbagai titik di dunia berbeda.

Mari kembali ke daya tarik Bumi dan Matahari. Mari kita coba buktikan dengan contoh bahwa bola bumi menarik kita lebih kuat dari Matahari.

Untuk memudahkan, mari kita ambil massa seseorang: m = 100 kg. Kemudian:

Jarak antara seseorang dan bola bumi sama dengan jari-jari planet: R = 6,4∙10 6 m.
Massa Bumi adalah: M 6∙10 24 kg.
Massa Matahari adalah: Mc 2∙10 30 kg.
Jarak antara planet kita dan Matahari (antara Matahari dan manusia): r=15∙10 10 m.

Gaya tarik gravitasi antara manusia dan bumi:

Hasil ini cukup jelas dari ekspresi yang lebih sederhana untuk berat (P = mg).

Gaya tarik gravitasi antara manusia dan Matahari:

Seperti yang Anda lihat, planet kita menarik kita hampir 2000 kali lebih kuat.

Bagaimana cara mencari gaya tarik menarik antara Bumi dan Matahari? Dengan cara berikut:

Sekarang kita melihat bahwa Matahari menarik planet kita lebih dari satu miliar miliar kali lebih kuat daripada yang menarik planet Anda dan saya.

kecepatan kosmik pertama

Setelah Isaac Newton menemukan hukum gravitasi universal, ia menjadi tertarik pada seberapa cepat sebuah benda harus dilemparkan sehingga, setelah mengatasi medan gravitasi, meninggalkan dunia selamanya.

Benar, dia membayangkannya sedikit berbeda, dalam pemahamannya tidak ada roket yang berdiri secara vertikal diarahkan ke langit, tetapi tubuh yang secara horizontal melompat dari puncak gunung. Itu adalah ilustrasi yang logis, karena di puncak gunung, gaya gravitasinya sedikit berkurang.

Jadi, di puncak Everest, percepatan gravitasi tidak akan seperti biasanya 9,8 m / s 2, tetapi hampir m / s 2. Karena alasan inilah, partikel-partikel udara tidak lagi terikat gravitasi seperti yang "jatuh" ke permukaan.

Mari kita coba mencari tahu apa itu kecepatan kosmik.

Kecepatan kosmik pertama v1 adalah kecepatan di mana tubuh meninggalkan permukaan Bumi (atau planet lain) dan memasuki orbit melingkar.

Mari kita coba mencari tahu nilai numerik dari kuantitas ini untuk planet kita.

Mari kita tulis hukum kedua Newton untuk benda yang berputar mengelilingi planet dalam orbit melingkar:

di mana h adalah ketinggian benda di atas permukaan, R adalah jari-jari bumi.

Di orbit, percepatan sentrifugal bekerja pada tubuh, sehingga:

Massa berkurang, kita mendapatkan:

Kecepatan ini disebut kecepatan kosmik pertama:

Seperti yang Anda lihat, kecepatan ruang benar-benar tidak tergantung pada massa benda. Dengan demikian, objek apa pun yang dipercepat hingga kecepatan 7,9 km / s akan meninggalkan planet kita dan memasuki orbitnya.

kecepatan kosmik pertama

Kecepatan ruang kedua

Namun, bahkan setelah mempercepat tubuh ke kecepatan kosmik pertama, kita tidak akan dapat sepenuhnya memutuskan hubungan gravitasinya dengan Bumi. Untuk ini, diperlukan kecepatan kosmik kedua. Setelah mencapai kecepatan ini, tubuh meninggalkan medan gravitasi planet dan semua kemungkinan orbit tertutup.

Penting! Secara tidak sengaja, sering dipercaya bahwa untuk sampai ke bulan, astronot harus mencapai kecepatan kosmik kedua, karena mereka harus "terputus" terlebih dahulu dari medan gravitasi planet. Ini tidak benar: pasangan Bumi-Bulan berada di medan gravitasi Bumi. Pusat gravitasi umum mereka ada di dalam bola dunia.

Untuk menemukan kecepatan ini, kami mengatur masalahnya sedikit berbeda. Misalkan sebuah benda terbang dari tak terhingga ke sebuah planet. Pertanyaan: berapa kecepatan yang akan dicapai di permukaan saat mendarat (tentu saja tanpa memperhitungkan atmosfer)? Ini adalah kecepatan ini dan itu akan membawa tubuh untuk meninggalkan planet ini.

Hukum gravitasi universal. Fisika Kelas 9

Hukum gravitasi universal.

Keluaran

Kita telah belajar bahwa meskipun gravitasi adalah gaya utama di alam semesta, banyak alasan untuk fenomena ini masih menjadi misteri. Kami mempelajari apa itu gaya gravitasi universal Newton, mempelajari cara menghitungnya untuk berbagai benda, dan juga mempelajari beberapa konsekuensi berguna yang mengikuti dari fenomena seperti hukum gravitasi universal.

Gravitasi, juga dikenal sebagai daya tarik atau gravitasi, adalah properti universal materi yang dimiliki semua benda dan benda di Semesta. Inti dari gravitasi adalah bahwa semua benda material menarik ke diri mereka sendiri semua benda lain yang ada di sekitarnya.

gravitasi bumi

Jika gravitasi adalah konsep umum dan kualitas yang dimiliki semua benda di Alam Semesta, maka daya tarik bumi adalah kasus khusus dari fenomena yang mencakup semua ini. Bumi menarik ke dirinya sendiri semua benda material yang ada di atasnya. Berkat ini, orang dan hewan dapat dengan aman bergerak di sekitar bumi, sungai, laut, dan samudera dapat tetap berada di pantai mereka, dan udara tidak dapat terbang melalui hamparan luas Kosmos, tetapi membentuk atmosfer planet kita.

Sebuah pertanyaan yang adil muncul: jika semua benda memiliki gravitasi, mengapa Bumi menarik manusia dan hewan ke dirinya sendiri, dan bukan sebaliknya? Pertama, kita juga menarik Bumi ke diri kita sendiri, hanya saja dibandingkan dengan gaya tariknya, gravitasi kita dapat diabaikan. Kedua, gaya gravitasi berbanding lurus dengan massa benda: semakin kecil massa benda, semakin rendah gaya gravitasinya.

Indikator kedua di mana gaya tarik bergantung adalah jarak antar objek: semakin besar jaraknya, semakin kecil efek gravitasinya. Termasuk karena ini, planet-planet bergerak dalam orbitnya, dan tidak saling jatuh.

Patut dicatat bahwa Bumi, Bulan, Matahari, dan planet-planet lain berutang bentuk bolanya secara tepat karena gaya gravitasi. Ia bertindak ke arah pusat, menarik ke arahnya zat yang membentuk "tubuh" planet ini.

medan gravitasi bumi

Medan gravitasi Bumi adalah medan energi gaya yang terbentuk di sekitar planet kita karena aksi dua gaya:

gravitasi;
gaya sentrifugal, yang muncul karena rotasi Bumi di sekitar porosnya (rotasi harian).

Karena gravitasi dan gaya sentrifugal bekerja secara konstan, medan gravitasi juga merupakan fenomena konstan.

Gaya gravitasi Matahari, Bulan dan beberapa benda langit lainnya, serta massa atmosfer Bumi, memiliki efek yang tidak signifikan di lapangan.

Hukum gravitasi dan Sir Isaac Newton

Fisikawan Inggris, Sir Isaac Newton, menurut legenda terkenal, pernah berjalan di taman pada siang hari, melihat bulan di langit. Pada saat yang sama, sebuah apel jatuh dari cabang. Newton kemudian mempelajari hukum gerak dan mengetahui bahwa sebuah apel jatuh di bawah pengaruh medan gravitasi, dan Bulan berputar dalam orbit mengelilingi Bumi.

Dan kemudian pikiran muncul di benak seorang ilmuwan brilian, diterangi oleh wawasan, bahwa mungkin apel jatuh ke bumi, mematuhi gaya yang sama yang menyebabkan Bulan berada di orbitnya, dan tidak bergegas secara acak di seluruh galaksi. Ini adalah bagaimana hukum gravitasi universal, juga dikenal sebagai Hukum Ketiga Newton, ditemukan.

Dalam bahasa rumus matematika, hukum ini terlihat seperti ini:

F=GMm/D2 ,

di mana F- gaya gravitasi timbal balik antara dua benda;

M- massa tubuh pertama;

M- massa benda kedua;

D2- jarak antara dua benda;

G- konstanta gravitasi, sama dengan 6,67x10 -11.

Ketinggian di mana satelit buatan bergerak sudah sebanding dengan jari-jari Bumi, sehingga untuk menghitung lintasannya, dengan mempertimbangkan perubahan gaya gravitasi dengan meningkatnya jarak mutlak diperlukan.

Jadi, Galileo berpendapat bahwa semua benda yang dilepaskan dari ketinggian tertentu di dekat permukaan bumi akan jatuh dengan percepatan yang sama G (jika hambatan udara diabaikan). Gaya yang menyebabkan percepatan ini disebut gravitasi. Mari kita terapkan hukum kedua Newton pada gaya gravitasi, dengan menganggapnya sebagai percepatan Sebuah percepatan gravitasi G . Dengan demikian, gaya gravitasi yang bekerja pada tubuh dapat ditulis sebagai:

F G =mg

Gaya ini diarahkan ke bawah menuju pusat bumi.

Karena dalam sistem SI g = 9,8 , maka gaya gravitasi yang bekerja pada benda bermassa 1 kg adalah.

Kami menerapkan rumus hukum gravitasi universal untuk menggambarkan gaya gravitasi - gaya gravitasi antara bumi dan benda yang terletak di permukaannya. Kemudian m 1 akan digantikan oleh massa Bumi m 3 , dan r - dengan jarak ke pusat Bumi, mis. dengan jari-jari bumi r 3 . Dengan demikian kita mendapatkan:

Dimana m adalah massa benda yang terletak di permukaan bumi. Dari persamaan tersebut didapat :

Dengan kata lain, percepatan jatuh bebas di permukaan bumi G ditentukan oleh nilai m 3 dan r 3 .

Di Bulan, di planet lain, atau di luar angkasa, gaya gravitasi yang bekerja pada benda dengan massa yang sama akan berbeda. Misalnya, di Bulan nilainya G hanya mewakili seperenam G di Bumi, dan sebuah benda bermassa 1 kg dipengaruhi oleh gaya gravitasi yang besarnya hanya 1,7 N.

Sampai konstanta gravitasi G diukur, massa Bumi tetap tidak diketahui. Dan hanya setelah G diukur, dengan menggunakan rasio, dimungkinkan untuk menghitung massa bumi. Ini pertama kali dilakukan oleh Henry Cavendish sendiri. Substitusikan ke dalam rumus percepatan jatuh bebas nilai g=9,8m/s dan jari-jari bumi r z =6,3810 6 kita peroleh nilai massa bumi sebagai berikut:

Untuk gaya gravitasi yang bekerja pada benda-benda di dekat permukaan bumi, kita dapat menggunakan ekspresi mg. Jika perlu untuk menghitung gaya tarik menarik yang bekerja pada benda yang terletak agak jauh dari Bumi, atau gaya yang disebabkan oleh benda langit lain (misalnya, Bulan atau planet lain), maka nilai g harus digunakan, dihitung menggunakan rumus terkenal, di mana r 3 dan m 3 harus diganti dengan jarak dan massa yang sesuai, Anda juga dapat langsung menggunakan rumus hukum gravitasi universal. Ada beberapa metode untuk menentukan percepatan gravitasi dengan sangat akurat. Seseorang dapat menemukan g hanya dengan menimbang berat standar pada neraca pegas. Timbangan geologis pasti luar biasa - pegasnya mengubah tegangan ketika beban kurang dari sepersejuta gram ditambahkan. Hasil yang sangat baik diberikan oleh timbangan kuarsa torsi. Perangkat mereka, pada prinsipnya, sederhana. Tuas dilas ke filamen kuarsa yang diregangkan secara horizontal, dengan berat filamen yang sedikit dipelintir:

Pendulum juga digunakan untuk tujuan yang sama. Sampai saat ini, metode pendulum untuk mengukur g adalah satu-satunya, dan hanya di tahun 60-an - 70-an. Mereka mulai digantikan oleh metode berat yang lebih nyaman dan akurat. Bagaimanapun, dengan mengukur periode osilasi bandul matematika, rumus dapat digunakan untuk menemukan nilai g dengan cukup akurat. Dengan mengukur nilai g di tempat yang berbeda pada instrumen yang sama, seseorang dapat menilai perubahan relatif dalam gaya gravitasi dengan akurasi bagian per juta.

Nilai percepatan gravitasi g di berbagai titik di Bumi sedikit berbeda. Dari rumus g = Gm 3 dapat diketahui bahwa nilai g harus lebih kecil, misalnya di puncak gunung daripada di permukaan laut, karena jarak dari pusat bumi ke puncak gunung agak jauh. lebih besar. Memang, fakta ini didirikan secara eksperimental. Namun, rumusnya g=Gm 3 /R 3 2 tidak memberikan nilai pasti g di semua titik, karena permukaan bumi tidak persis bulat: tidak hanya gunung dan laut yang ada di permukaannya, tetapi juga ada perubahan jari-jari bumi di ekuator; selain itu, massa bumi tidak terdistribusi secara merata; Rotasi bumi juga mempengaruhi perubahan g.

Namun, sifat percepatan gravitasi ternyata lebih rumit dari yang diperkirakan Galileo. Cari tahu bahwa besarnya percepatan tergantung pada garis lintang di mana ia diukur:

Besarnya percepatan jatuh bebas juga bervariasi dengan ketinggian di atas permukaan bumi:

Vektor percepatan gravitasi selalu diarahkan secara vertikal ke bawah, tetapi sepanjang garis tegak lurus di lokasi tertentu di Bumi.

Jadi, pada lintang yang sama dan ketinggian yang sama di atas permukaan laut, percepatan gravitasi harus sama. Pengukuran yang akurat menunjukkan bahwa sangat sering ada penyimpangan dari norma ini - anomali gravitasi. Alasan untuk anomali adalah distribusi massa yang tidak homogen di dekat lokasi pengukuran.

Seperti yang telah disebutkan, gaya gravitasi dari sisi benda besar dapat direpresentasikan sebagai jumlah gaya yang bekerja dari partikel individu dari benda besar. Gaya tarik pendulum oleh Bumi adalah hasil dari aksi semua partikel Bumi di atasnya. Tetapi jelas bahwa partikel-partikel dekat memberikan kontribusi terbesar terhadap gaya total - bagaimanapun juga, gaya tarik berbanding terbalik dengan kuadrat jarak.

Jika massa berat terkonsentrasi di dekat tempat pengukuran, g akan lebih besar dari norma, jika tidak g lebih kecil dari norma.

Jika, misalnya, g diukur di gunung atau di pesawat terbang yang terbang di atas laut pada ketinggian gunung, maka dalam kasus pertama, angka besar akan diperoleh. Juga di atas norma adalah nilai g di pulau-pulau samudera terpencil. Jelas bahwa dalam kedua kasus peningkatan g dijelaskan oleh konsentrasi massa tambahan di tempat pengukuran.

Tidak hanya nilai g, tetapi juga arah gravitasi dapat menyimpang dari norma. Jika Anda menggantung beban pada utas, maka utas memanjang akan menunjukkan vertikal untuk tempat ini. Vertikal ini mungkin menyimpang dari norma. Arah vertikal "normal" diketahui ahli geologi dari peta khusus, di mana sosok "ideal" Bumi dibangun sesuai dengan data nilai g.

Mari kita membuat percobaan dengan garis tegak lurus di kaki gunung besar. Berat garis tegak lurus ditarik oleh Bumi ke pusatnya dan oleh gunung - ke samping. Garis tegak lurus harus menyimpang dalam kondisi seperti itu dari arah vertikal normal. Karena massa Bumi jauh lebih besar daripada massa gunung, penyimpangan semacam itu tidak melebihi beberapa detik busur.

Vertikal "normal" ditentukan oleh bintang-bintang, karena untuk titik geografis mana pun telah dihitung di tempat mana di langit pada saat tertentu pada hari dan tahun vertikal sosok "ideal" Bumi "bersandar" .

Penyimpangan garis tegak lurus terkadang menyebabkan hasil yang aneh. Misalnya, di Florence, pengaruh Apennines tidak mengarah pada ketertarikan, tetapi pada penolakan garis tegak lurus. Hanya ada satu penjelasan: ada rongga besar di pegunungan.

Hasil yang luar biasa diperoleh dengan mengukur percepatan gravitasi pada skala benua dan lautan. Benua jauh lebih berat daripada lautan, jadi tampaknya nilai g di atas benua seharusnya lebih besar. Daripada di atas lautan. Pada kenyataannya, nilai g, di sepanjang garis lintang yang sama di atas lautan dan benua, rata-rata sama.

Sekali lagi, hanya ada satu penjelasan: benua terletak di atas batu yang lebih ringan, dan lautan di atas batu yang lebih berat. Memang, di mana penelitian langsung dimungkinkan, ahli geologi menetapkan bahwa lautan bertumpu pada batuan basal yang berat, dan benua pada granit ringan.

Tetapi pertanyaan berikut segera muncul: mengapa batuan yang berat dan ringan secara tepat mengimbangi perbedaan bobot antara benua dan lautan? Kompensasi semacam itu tidak mungkin terjadi secara kebetulan; penyebabnya harus berakar pada struktur kulit bumi.

Ahli geologi percaya bahwa bagian atas kerak bumi tampaknya mengapung di atas plastik di bawahnya, yaitu massa yang mudah berubah bentuk. Tekanan pada kedalaman sekitar 100 km harus sama di mana-mana, sama seperti tekanan di dasar bejana berisi air, di mana potongan-potongan kayu dengan berat berbeda mengapung, adalah sama. Oleh karena itu, kolom materi dengan luas 1 m 2 dari permukaan hingga kedalaman 100 km harus memiliki berat yang sama baik di bawah lautan maupun di bawah benua.

Pemerataan tekanan ini (disebut isostasy) mengarah pada fakta bahwa di atas lautan dan benua di sepanjang garis lintang yang sama, nilai percepatan gravitasi g tidak berbeda secara signifikan. Anomali gravitasi lokal melayani eksplorasi geologi, yang tujuannya adalah untuk menemukan deposit mineral di bawah tanah, tanpa menggali lubang, tanpa menggali tambang.

Bijih berat harus dicari di tempat-tempat di mana g paling besar. Sebaliknya, endapan garam ringan dideteksi oleh nilai g yang diremehkan secara lokal. Anda dapat mengukur g hingga sepersejuta terdekat dari 1 m/s 2 .

Metode pengintaian menggunakan pendulum dan skala ultra-presisi disebut gravitasi. Mereka sangat penting secara praktis, khususnya untuk pencarian minyak. Faktanya adalah bahwa dengan metode gravitasi eksplorasi mudah untuk mendeteksi kubah garam bawah tanah, dan sangat sering ternyata di mana ada garam, ada juga minyak. Selain itu, minyak terletak di kedalaman, dan garam lebih dekat ke permukaan bumi. Minyak ditemukan dengan eksplorasi gravitasi di Kazakhstan dan di tempat lain.

Alih-alih menarik kereta dengan pegas, itu dapat diberikan percepatan dengan memasang tali yang dilemparkan ke atas katrol, dari ujung yang berlawanan di mana beban ditangguhkan. Maka gaya yang memberikan percepatan adalah karena menimbang kargo ini. Percepatan jatuh bebas sekali lagi diberikan ke tubuh dengan beratnya.

Dalam fisika, berat adalah nama resmi untuk gaya yang disebabkan oleh daya tarik objek ke permukaan bumi - "tarikan gravitasi." Fakta bahwa benda-benda tertarik ke pusat bumi membuat penjelasan ini masuk akal.

Bagaimanapun Anda mendefinisikannya, berat adalah kekuatan. Itu tidak berbeda dari kekuatan lain, kecuali untuk dua fitur: beratnya diarahkan secara vertikal dan bekerja terus-menerus, itu tidak dapat dihilangkan.

Untuk mengukur berat suatu benda secara langsung, kita harus menggunakan neraca pegas yang dikalibrasi dalam satuan gaya. Karena ini sering merepotkan, kami membandingkan satu bobot dengan yang lain menggunakan timbangan timbangan, mis. temukan relasinya:

GRAVITASI BUMI YANG BEKERJA PADA BADAN X ATRAKSI BUMI YANG MEMPENGARUHI STANDAR MASSA

Misalkan benda X ditarik 3 kali lebih kuat dari massa standar. Dalam hal ini, kita katakan bahwa gravitasi bumi yang bekerja pada benda X adalah gaya 30 Newton, yang berarti 3 kali gravitasi bumi yang bekerja pada satu kilogram massa. Konsep massa dan berat sering membingungkan, di antaranya ada perbedaan yang signifikan. Massa adalah properti dari tubuh itu sendiri (itu adalah ukuran inersia atau "jumlah materi"). Berat, di sisi lain, adalah gaya yang digunakan tubuh untuk menopang atau meregangkan suspensi (berat secara numerik sama dengan gaya gravitasi jika penyangga atau suspensi tidak memiliki percepatan).

Jika kita menggunakan neraca pegas untuk mengukur berat suatu benda dengan akurasi yang sangat tinggi, dan kemudian memindahkan timbangan ke tempat lain, kita akan menemukan bahwa berat benda di permukaan bumi agak bervariasi dari satu tempat ke tempat lain. Kita tahu bahwa jauh dari permukaan bumi, atau di kedalaman dunia, beratnya seharusnya jauh lebih sedikit.

Apakah massa berubah? Para ilmuwan, yang merenungkan masalah ini, telah lama sampai pada kesimpulan bahwa massa harus tetap tidak berubah. Bahkan di pusat bumi, di mana gravitasi, yang bekerja ke segala arah, harus menghasilkan gaya total nol, benda itu akan tetap memiliki massa yang sama.

Jadi, massa, yang diukur dengan kesulitan yang kita hadapi dalam mencoba mempercepat pergerakan kereta kecil, adalah sama di mana-mana: di permukaan Bumi, di pusat Bumi, di Bulan. Berat diperkirakan dari perpanjangan keseimbangan pegas (dan rasa

di otot tangan seseorang yang memegang timbangan) akan jauh lebih sedikit di Bulan dan hampir nol di pusat Bumi. (gbr.7)

Seberapa besar gravitasi bumi yang bekerja pada massa yang berbeda? Bagaimana cara membandingkan berat dua benda? Mari kita ambil dua buah timah yang identik, katakanlah, masing-masing 1 kg. Bumi menarik masing-masing dari mereka dengan gaya yang sama, sama dengan berat 10 N. Jika Anda menggabungkan kedua potongan 2 kg, maka gaya vertikal hanya bertambah: Bumi menarik 2 kg dua kali lebih banyak dari 1 kg. Kita akan mendapatkan daya tarik ganda yang persis sama jika kita menggabungkan kedua bagian menjadi satu atau menempatkannya satu di atas yang lain. Tarikan gravitasi dari bahan homogen apa pun hanya bertambah, dan tidak ada penyerapan atau perlindungan dari satu bagian materi oleh bagian lainnya.

Untuk setiap bahan homogen, berat sebanding dengan massa. Oleh karena itu, kami percaya bahwa Bumi adalah sumber "medan gravitasi" yang memancar dari pusatnya secara vertikal dan mampu menarik materi apa pun. Medan gravitasi bekerja dengan cara yang sama pada, katakanlah, setiap kilogram timah. Tetapi bagaimana dengan gaya tarik menarik yang bekerja pada massa yang sama dari bahan yang berbeda, misalnya, 1 kg timah dan 1 kg aluminium? Arti pertanyaan ini tergantung pada apa yang dimaksud dengan massa yang sama. Cara paling sederhana untuk membandingkan massa, yang digunakan dalam penelitian ilmiah dan dalam praktik komersial, adalah penggunaan skala keseimbangan. Mereka membandingkan kekuatan yang menarik kedua beban. Tetapi mengingat massa yang sama, katakanlah, timbal dan aluminium, kita dapat mengasumsikan bahwa bobot yang sama memiliki massa yang sama. Tetapi sebenarnya, di sini kita berbicara tentang dua jenis massa yang sama sekali berbeda - massa inersia dan gravitasi.

Kuantitas dalam rumus Merupakan massa inersia. Dalam percobaan dengan troli, yang dipercepat oleh pegas, nilai bertindak sebagai karakteristik "berat zat" yang menunjukkan betapa sulitnya memberikan percepatan ke tubuh yang sedang dipertimbangkan. Sifat kuantitatif adalah rasio. Massa ini adalah ukuran inersia, kecenderungan sistem mekanis untuk menolak perubahan keadaan. Massa adalah sifat yang harus sama di dekat permukaan Bumi, dan di Bulan, dan di luar angkasa, dan di pusat Bumi. Apa hubungannya dengan gravitasi dan apa yang sebenarnya terjadi saat menimbang?

Cukup terlepas dari massa inersia, seseorang dapat memperkenalkan konsep massa gravitasi sebagai jumlah materi yang ditarik oleh Bumi.

Kami percaya bahwa medan gravitasi bumi adalah sama untuk semua benda di dalamnya, tetapi kami menghubungkannya dengan berbagai

metam massa yang berbeda, yang sebanding dengan daya tarik benda-benda tersebut oleh medan. Ini adalah massa gravitasi. Kami mengatakan bahwa benda yang berbeda memiliki berat yang berbeda karena mereka memiliki massa gravitasi yang berbeda yang ditarik oleh medan gravitasi. Jadi, massa gravitasi, menurut definisi, sebanding dengan berat dan juga gaya gravitasi. Massa gravitasi menentukan dengan kekuatan apa tubuh ditarik oleh Bumi. Pada saat yang sama, gravitasi saling menguntungkan: jika Bumi menarik batu, maka batu juga menarik Bumi. Ini berarti bahwa massa gravitasi suatu benda juga menentukan seberapa kuat benda itu menarik benda lain, Bumi. Jadi, massa gravitasi mengukur jumlah materi di mana gravitasi bumi bekerja, atau jumlah materi yang menyebabkan tarikan gravitasi antar benda.

Gaya tarik gravitasi bekerja pada dua keping timah yang identik dua kali lebih banyak daripada pada satu keping. Massa gravitasi potongan-potongan timah harus sebanding dengan massa inersia, karena massa kedua jenis itu jelas sebanding dengan jumlah atom timah. Hal yang sama berlaku untuk potongan bahan lain, katakanlah lilin, tetapi bagaimana sepotong timah dibandingkan dengan sepotong lilin? Jawaban atas pertanyaan ini diberikan oleh eksperimen simbolis pada studi tentang jatuhnya benda-benda dengan berbagai ukuran dari puncak Menara Miring Pisa, yang menurut legenda, dilakukan oleh Galileo. Jatuhkan dua potong bahan apa pun dengan ukuran berapa pun. Mereka jatuh dengan percepatan yang sama g. Gaya yang bekerja pada suatu benda dan memberikannya percepatan6 adalah gaya tarik bumi yang diterapkan pada benda tersebut. Gaya tarik benda-benda oleh Bumi sebanding dengan massa gravitasi. Tetapi gravitasi memberikan percepatan yang sama g ke semua benda. Oleh karena itu, gravitasi, seperti halnya berat, harus sebanding dengan massa inersia. Oleh karena itu, benda dengan bentuk apa pun mengandung proporsi yang sama dari kedua massa.

Jika kita mengambil 1 kg sebagai unit dari kedua massa, maka massa gravitasi dan inersia akan sama untuk semua benda dengan ukuran berapa pun dari bahan apa pun dan di mana pun.

Begini cara membuktikannya. Mari kita bandingkan standar kilogram yang terbuat dari platinum6 dengan batu yang massanya tidak diketahui. Mari kita bandingkan massa inersianya dengan menggerakkan masing-masing benda secara bergantian dalam arah horizontal di bawah aksi beberapa gaya dan mengukur percepatannya. Asumsikan massa batu adalah 5,31 kg. Gravitasi bumi tidak terlibat dalam perbandingan ini. Kemudian kami membandingkan massa gravitasi kedua benda dengan mengukur gaya tarik gravitasi antara masing-masing benda dan beberapa benda ketiga, paling sederhana Bumi. Hal ini dapat dilakukan dengan menimbang kedua badan. Kita akan melihat itu massa gravitasi batu juga 5,31 kg.

Lebih dari setengah abad sebelum Newton mengajukan hukum gravitasi universalnya, Johannes Kepler (1571-1630) menemukan bahwa “gerakan rumit planet-planet di tata surya dapat dijelaskan dengan tiga hukum sederhana. Hukum Kepler memperkuat keyakinan pada hipotesis Copernicus bahwa planet-planet berputar mengelilingi matahari juga.

Untuk menegaskan pada awal abad ke-17 bahwa planet-planet mengelilingi Matahari dan bukan mengelilingi Bumi adalah bid'ah terbesar. Giordano Bruno, yang secara terbuka membela sistem Copernicus, dikutuk sebagai bidat oleh Inkuisisi Suci dan dibakar di tiang pancang. Bahkan Gallileo yang agung, terlepas dari persahabatan dekatnya dengan Paus, dipenjarakan, dikutuk oleh Inkuisisi dan dipaksa untuk secara terbuka meninggalkan pandangannya.

Pada masa itu, ajaran Aristoteles dan Ptolemy dianggap suci dan tidak dapat diganggu gugat, dengan mengatakan bahwa orbit planet muncul sebagai akibat dari gerakan kompleks di sepanjang sistem lingkaran. Jadi untuk menggambarkan orbit Mars, diperlukan selusin lingkaran dengan berbagai diameter. Johannes Kepler menetapkan tugas "membuktikan" bahwa Mars dan Bumi harus berputar mengelilingi Matahari. Dia mencoba menemukan orbit dengan bentuk geometris paling sederhana, yang persis sama dengan berbagai pengukuran posisi planet. Bertahun-tahun perhitungan yang membosankan berlalu sebelum Kepler mampu merumuskan tiga hukum sederhana yang dengan sangat akurat menggambarkan gerakan semua planet:

hukum pertama: Setiap planet bergerak dalam bentuk elips

salah satu fokusnya adalah

Hukum kedua: Vektor radius (garis yang menghubungkan Matahari

dan planet) menjelaskan pada interval yang sama

waktu sama luas

hukum ketiga: Kuadrat periode planet

sebanding dengan pangkat tiga sarananya

jarak dari matahari:

R 1 3 /T 1 2 = R 2 3 /T 2 2

Arti penting dari karya Kepler sangat besar. Ia menemukan hukum-hukum yang kemudian dihubungkan Newton dengan hukum gravitasi universal.Tentu saja, Kepler sendiri tidak menyadari apa yang akan dibawa oleh penemuannya itu. "Dia terlibat dalam petunjuk-petunjuk aturan empiris yang membosankan, yang di masa depan Newton seharusnya mengarah pada bentuk rasional." Kepler tidak bisa menjelaskan mengapa keberadaan orbit elips, tetapi mengagumi fakta bahwa mereka ada.

Berdasarkan hukum ketiga Kepler, Newton menyimpulkan bahwa gaya tarik-menarik harus berkurang dengan bertambahnya jarak, dan gaya tarik harus berubah sebagai (jarak) -2. Dengan menemukan hukum gravitasi universal, Newton mentransfer ide sederhana tentang gerakan bulan ke seluruh sistem planet. Dia menunjukkan bahwa daya tarik, menurut hukum yang dia peroleh, menentukan pergerakan planet-planet dalam orbit elips, dan Matahari harus berada di salah satu fokus elips. Dia dapat dengan mudah menurunkan dua hukum Kepler lainnya, yang juga mengikuti hipotesisnya tentang gravitasi universal. Hukum-hukum ini berlaku jika hanya daya tarik Matahari yang diperhitungkan. Tetapi kita juga harus memperhitungkan pengaruh planet lain terhadap planet yang bergerak, meskipun di tata surya gaya tarik-menarik ini kecil dibandingkan dengan gaya tarik matahari.

Hukum kedua Kepler mengikuti dari ketergantungan sewenang-wenang gaya tarik-menarik pada jarak, jika gaya ini bekerja sepanjang garis lurus yang menghubungkan pusat-pusat planet dan Matahari. Tetapi hukum pertama dan ketiga Kepler dipenuhi hanya oleh hukum proporsionalitas terbalik dari gaya tarik-menarik ke kuadrat jarak.

Untuk mendapatkan hukum ketiga Kepler, Newton cukup menggabungkan hukum gerak dengan hukum gravitasi universal. Untuk kasus orbit lingkaran, seseorang dapat berargumentasi sebagai berikut: biarkan sebuah planet dengan massa sama dengan m bergerak dengan kecepatan v sepanjang lingkaran jari-jari R mengelilingi Matahari, yang massanya sama dengan M. Gerakan ini dapat dilakukan hanya jika gaya eksternal bekerja pada planet F = mv 2 /R, yang menciptakan percepatan sentripetal v 2 /R. Misalkan daya tarik antara Matahari dan planet hanya menciptakan gaya yang diperlukan. Kemudian:

GMm/r 2 = mv 2 /R

dan jarak r antara m dan M sama dengan jari-jari orbit R. Tetapi kecepatannya

di mana T adalah waktu yang dibutuhkan planet untuk melakukan satu putaran. Kemudian

Untuk mendapatkan hukum ketiga Kepler, Anda perlu memindahkan semua R dan T ke satu sisi persamaan, dan semua besaran lainnya ke sisi lain:

R 3 /T 2 \u003d GM / 4 2

Jika sekarang kita berpindah ke planet lain dengan radius orbit dan periode revolusi yang berbeda, maka rasio baru akan kembali sama dengan GM/4 2 ; nilai ini akan sama untuk semua planet, karena G adalah konstanta universal, dan massa M adalah sama untuk semua planet yang mengelilingi Matahari. Dengan demikian, nilai R 3 /T 2 akan sama untuk semua planet sesuai dengan hukum ketiga Kepler. Perhitungan ini memungkinkan Anda untuk mendapatkan hukum ketiga untuk orbit elips, tetapi dalam hal ini R adalah nilai rata-rata antara jarak terbesar dan terkecil planet dari Matahari.

Berbekal metode matematika yang kuat dan dipandu oleh intuisi yang sangat baik, Newton menerapkan teorinya ke sejumlah besar masalah yang termasuk dalam karyanya PRINSIP tentang ciri-ciri Bulan, Bumi, planet-planet lain dan pergerakannya, serta benda-benda langit lainnya: satelit, komet.

Bulan mengalami banyak gangguan yang menyimpang dari gerakan melingkar beraturan. Pertama-tama, ia bergerak di sepanjang elips Keplerian, di salah satu fokusnya adalah Bumi, seperti satelit apa pun. Namun orbit ini mengalami variasi kecil karena daya tarik Matahari. Pada bulan baru, bulan lebih dekat ke matahari daripada bulan purnama, yang muncul dua minggu kemudian; Hal ini menyebabkan terjadinya perubahan gaya tarik yang mengakibatkan melambatnya dan mempercepat pergerakan bulan selama bulan tersebut. Efek ini meningkat ketika Matahari lebih dekat di musim dingin, sehingga variasi tahunan dalam kecepatan Bulan juga diamati. Selain itu, perubahan daya tarik matahari mengubah eliptisitas orbit bulan; orbit bulan menyimpang ke atas dan ke bawah, bidang orbit perlahan berputar. Dengan demikian, Newton menunjukkan bahwa ketidakteraturan yang dicatat dalam gerakan Bulan disebabkan oleh gravitasi universal. Dia tidak mengembangkan masalah daya tarik matahari dalam semua detail, gerakan Bulan tetap menjadi masalah yang kompleks, yang sedang dikembangkan dengan detail yang semakin meningkat hingga hari ini.

Pasang surut laut telah lama menjadi misteri, yang tampaknya dapat dijelaskan dengan menetapkan hubungannya dengan pergerakan bulan. Namun, orang-orang percaya bahwa hubungan seperti itu tidak benar-benar ada, dan bahkan Galileo menertawakan gagasan ini. Newton menunjukkan bahwa pasang surut air laut disebabkan oleh gaya tarik air laut yang tidak merata dari sisi bulan. Pusat orbit bulan tidak bertepatan dengan pusat Bumi. Bulan dan Bumi bersama-sama berputar di sekitar pusat massa mereka yang sama. Pusat massa ini terletak pada jarak sekitar 4800 km dari pusat bumi, hanya 1600 km dari permukaan bumi. Ketika Bumi menarik Bulan, Bulan menarik Bumi dengan gaya yang sama besar dan berlawanan arah, sehingga timbul gaya Mv 2 /r, yang menyebabkan Bumi bergerak mengelilingi pusat massa bersama dengan periode sama dengan satu bulan . Bagian lautan yang paling dekat dengan Bulan tertarik lebih kuat (lebih dekat), air naik - dan air pasang muncul. Bagian lautan yang terletak pada jarak yang lebih jauh dari Bulan tertarik lebih lemah daripada daratan, dan di bagian lautan ini punuk air juga naik. Oleh karena itu, ada dua kali pasang dalam 24 jam. Matahari juga menyebabkan pasang surut, meskipun tidak begitu kuat, karena jarak yang jauh dari matahari menghaluskan ketidakrataan gaya tarik.

Newton mengungkapkan sifat komet - tamu tata surya ini, yang selalu membangkitkan minat dan bahkan kengerian suci. Newton menunjukkan bahwa komet bergerak dalam orbit elips yang sangat memanjang, dengan Matahari sebagai fokus air. Pergerakan mereka ditentukan, seperti pergerakan planet, oleh gravitasi. Tetapi mereka memiliki magnitudo yang sangat kecil, sehingga mereka hanya dapat dilihat ketika mereka lewat dekat dengan Matahari. Orbit elips komet dapat diukur, dan waktu kembalinya komet ke wilayah kita dapat diprediksi secara akurat. Kembalinya mereka secara teratur pada tanggal yang diprediksi memungkinkan kita untuk memverifikasi pengamatan kita dan memberikan konfirmasi lain tentang hukum gravitasi universal.

Dalam beberapa kasus, komet mengalami gangguan gravitasi yang kuat, melintas di dekat planet besar, dan bergerak ke orbit baru dengan periode yang berbeda. Inilah sebabnya mengapa kita tahu bahwa komet memiliki massa yang kecil: planet mempengaruhi gerakannya, dan komet tidak mempengaruhi gerakan planet, meskipun mereka bertindak dengan gaya yang sama.

Komet bergerak begitu cepat dan jarang datang sehingga para ilmuwan masih menunggu saat dimana cara modern dapat diterapkan untuk mempelajari komet besar.

Jika Anda berpikir tentang peran apa yang dimainkan gaya gravitasi dalam kehidupan planet kita, maka seluruh lautan fenomena terbuka, dan bahkan lautan dalam arti kata yang sebenarnya: lautan air, lautan udara. Tanpa gravitasi, mereka tidak akan ada.

Di alam, ada berbagai kekuatan yang menjadi ciri interaksi tubuh. Pertimbangkan gaya-gaya yang terjadi dalam mekanika.

gaya gravitasi. Mungkin, gaya pertama, yang keberadaannya disadari oleh manusia, adalah gaya tarik-menarik yang bekerja pada benda-benda dari sisi Bumi.

Dan butuh berabad-abad bagi orang untuk memahami bahwa gaya gravitasi bekerja di antara benda apa pun. Dan butuh berabad-abad bagi orang untuk memahami bahwa gaya gravitasi bekerja di antara benda apa pun. Fisikawan Inggris Newton adalah orang pertama yang memahami fakta ini. Menganalisis hukum yang mengatur gerak planet (hukum Kepler), ia sampai pada kesimpulan bahwa hukum gerak planet yang diamati hanya dapat dipenuhi jika ada gaya tarik-menarik di antara mereka, yang berbanding lurus dengan massanya dan berbanding terbalik. dengan kuadrat jarak antara keduanya.

Newton dirumuskan hukum gravitasi. Setiap dua tubuh tertarik satu sama lain. Gaya tarik-menarik antara benda-benda titik diarahkan sepanjang garis lurus yang menghubungkannya, berbanding lurus dengan massa keduanya dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara keduanya:

Dalam hal ini, benda titik dipahami sebagai benda yang dimensinya berkali-kali lebih kecil dari jarak di antara mereka.

Gaya gravitasi disebut gaya gravitasi. Koefisien proporsionalitas G disebut konstanta gravitasi. Nilainya ditentukan secara eksperimental: G = 6,7 10¯¹¹ N m² / kg².

gravitasi bertindak di dekat permukaan bumi, diarahkan ke pusatnya dan dihitung dengan rumus:

di mana g adalah percepatan jatuh bebas (g = 9,8 m/s²).

Peran gravitasi dalam kehidupan alam sangat signifikan, karena ukuran, bentuk, dan proporsi makhluk hidup sangat bergantung pada besarnya.

Berat badan. Pertimbangkan apa yang terjadi ketika beban ditempatkan pada bidang horizontal (penopang). Pada saat pertama setelah beban diturunkan, ia mulai bergerak ke bawah di bawah aksi gravitasi (Gbr. 8).

Bidang menekuk dan ada gaya elastis (reaksi tumpuan), diarahkan ke atas. Setelah gaya elastis (Fy) menyeimbangkan gaya gravitasi, penurunan tubuh dan defleksi penyangga akan berhenti.

Lendutan penyangga muncul di bawah aksi tubuh, oleh karena itu, gaya tertentu (P) bekerja pada penyangga dari sisi tubuh, yang disebut berat tubuh (Gbr. 8, b). Menurut hukum ketiga Newton, berat suatu benda sama besarnya dengan gaya reaksi dari tumpuan dan diarahkan ke arah yang berlawanan.

P \u003d - Fu \u003d F berat.

berat badan disebut gaya P, yang dengannya benda bekerja pada tumpuan horizontal yang diam relatif terhadapnya.

Karena gravitasi (berat) diterapkan pada penyangga, ia berubah bentuk dan, karena elastisitas, melawan gaya gravitasi. Gaya-gaya yang berkembang dalam hal ini dari sisi tumpuan disebut gaya-gaya reaksi tumpuan, dan fenomena perkembangan penangkalan itu sendiri disebut reaksi tumpuan. Menurut hukum ketiga Newton, gaya reaksi tumpuan sama besarnya dengan gaya gravitasi benda dan arahnya berlawanan.

Jika seseorang di atas tumpuan bergerak dengan percepatan tautan tubuhnya yang diarahkan menjauh dari tumpuan, maka gaya reaksi dari tumpuan meningkat dengan nilai ma, di mana m adalah massa orang tersebut, dan adalah percepatan yang tautan tubuhnya bergerak. Efek dinamis ini dapat direkam menggunakan alat pengukur regangan (dinamogram).

Berat badan tidak harus bingung dengan massa tubuh. Massa suatu benda mencirikan sifat inersianya dan tidak bergantung pada gaya gravitasi atau pada percepatan yang digunakannya untuk bergerak.

Berat tubuh mencirikan gaya yang digunakannya untuk bekerja pada penyangga dan bergantung pada gaya gravitasi dan pada percepatan gerakan.

Misalnya, di Bulan, berat suatu benda sekitar 6 kali lebih kecil dari berat benda di Bumi.Massanya sama dalam kedua kasus dan ditentukan oleh jumlah materi di dalam benda tersebut.

Dalam kehidupan sehari-hari, teknologi, olahraga, berat sering ditunjukkan bukan dalam newton (N), tetapi dalam kilogram gaya (kgf). Transisi dari satu unit ke unit lain dilakukan sesuai dengan rumus: 1 kgf = 9,8 N.

Ketika penyangga dan tubuh tidak bergerak, maka massa tubuh sama dengan gaya gravitasi tubuh ini. Ketika penopang dan tubuh bergerak dengan beberapa percepatan, maka, tergantung pada arahnya, tubuh dapat mengalami keadaan tanpa bobot atau kelebihan beban. Ketika percepatan bertepatan dalam arah dan sama dengan percepatan jatuh bebas, berat badan akan menjadi nol, sehingga keadaan tanpa bobot terjadi (ISS, elevator berkecepatan tinggi saat turun). Ketika percepatan gerakan penyangga berlawanan dengan percepatan jatuh bebas, orang tersebut mengalami kelebihan beban (mulai dari permukaan Bumi pesawat ruang angkasa berawak, lift berkecepatan tinggi naik).