Udforskning af G i Newtons lov om universel gravitation

Her på den lyseblå prik, vi kalder hjem, er tyngdekraften noget, vi alle oplever hvert sekund af hver dag. Og vi er langt mere bevidste om det takket være Newtons lov om universel gravitation .

"Tyngekraften er den lim, der får diffust stof mellem stjernerne til langsomt at kollapse og danne nye brintfusionsmaskiner (alias stjerner)," siger astrofysiker Cara Battersby fra University of Connecticut. "Det er limen, der binder galakser sammen, og den er ansvarlig for, at vores egen Jord hvert år kredser om solen."

Tyngdekraften var også nøglespilleren i Sir Isaac Newtons berømte "æble"-historie. En dag hang Newton ud i Lincolnshire, England, da han så et æble falde ud af et træ - eller det påstod han. I løbet af de kommende år ville han fortælle mange bekendte - som Voltaire og biografen William Stukeley - at hans store skrifter om tyngdekraftens natur var inspireret af denne verdslige lille begivenhed.

Således blev grunden lagt for Newtons lov om universel tyngdekraft - centralt for hvilken er et fænomen kaldet den universelle gravitationskonstant, også kendt som:"Big G" eller bare "G." I denne artikel vil vi undersøge Newtons universelle lov, konflikterne foreslået af Albert Einsteins teori og selve gravitationskraften.

1. Oprindelsen af ​​Newtons lov om universel gravitation
2. Universal Gravitation Constant:The Equation
3. Den præcise værdi af tyngdekraften
4. Newton vs. Einstein om tyngdekraften

Oprindelsen af ​​Newtons lov om universel gravitation

Der er blevet sagt meget om det truende æble i Newtons erindring. Mens den berømte fysiker fortalte Stukeley denne anekdote årtier efter, at den angiveligt fandt sted, har mange akademikere sået tvivl om historien. Uanset hvad er den sande intrige i Newtons universelle lov ikke, hvorvidt æblet ramte ham eller ej, men at kraften, der virkede på æblet, bragte det lige ned.

Som Newtons assistent John Conduitt skrev:

Universal Gravitationskonstant:Ligningen

Første ting først. Før vi tackler det store G, bør vi træde tilbage og forklare den universelle gravitationsligning for Newtons lov. Denne ligning fortsætter med at have enorme konsekvenser for, hvordan vi ser på gravitationsfeltet, der holder os sikret til Jordens overflade.

Som Katie Mack - en astrofysiker og forfatteren til "The End of Everything (Astrophysically Speaking)" - siger via e-mail, er tyngdekraften "den mekanisme, hvorved ting, der har masse, tiltrækkes af hinanden". Newton var den første til at gøre det klart, at objekter udøver gravitationspåvirkninger.

Newton indså styrken af denne gravitationstiltrækning mellem et givet sæt af objekter afhænger af (a) hvor massive de er og (b) hvor langt fra hinanden de er. Den omvendte kvadratlov er et nøgleprincip her, hvorved den udøvede tyngdekraft er omvendt proportional med adskillelsen mellem objekter. Det er en dynamik, som hans lov om universel gravitation sætter i matematiske termer.

Her er den relevante ligning:

"F" står for "tyngdekraften"; "m1" betyder massen af ​​det første objekt; "m2" angiver massen af ​​det andet objekt; og "r2" er en forkortelse for afstanden i kvadrat mellem massecentrene i objekt et og objekt to. Og "G"? Nå venner, det er Big G:Tyngdekonstanten.

Den præcise værdi af tyngdekraften

"For alle to masser, uanset om det er bowlingkugler eller planeter, er tyngdekraften mellem dem bestemt af deres masser, deres afstand og tallet G," siger Mack. Takket være eksperimenter udført af Henry Cavendish i 1790'erne ved vi nu, at gravitationskonstanten har den numeriske værdi på omkring 6,67 x 10 ^-11 Newton (m2/kg2).

I denne sammenhæng refererer udtrykket "Newtons" til en måleenhed. En Newton er mængden af ​​kraft, du skal bruge for at accelerere noget med en masse på 2,2 pund (1 kg) med 3,28 fod (1 meter) pr. sekund. (Ligesom Anders Celsius og Charles F. Richter fik Sir Isaac Newton en plads på den berygtede liste over videnskabsmænd, der har fået navngivet enheder til deres ære.)

Newton vs. Einstein om tyngdekraften

Nu er der et lag af nuancer, vi bør anerkende her. Ser du, loven om universel gravitationskonstant er ikke helt så "universelt", som navnet antyder. Ifølge Battersby er "vores klassiske billede af tyngdekraften" - som Newton formulerede tilbage i det 17. århundrede - "en nøjagtig tilnærmelse af fysikkens virkelighed de fleste steder i hele universet (bestemt på Jorden)."

"Men," tilføjer hun, "er denne teori blevet afløst af Einsteins teori om generel relativitet, som er en forbedring af 'Newtonsk tyngdekraft', der hævder, at stof deformerer selve rumtiden (som en tung kugle, der skaber en fordybning på en gummi). ark)."

Det bringer os til sorte huller. Sorte huller, der er i stand til at blive mere end en million gange mere massive end vores sol, påvirker tyngdekraften på måder, som Newtons lov bare ikke kan forklare. Generel relativitet har vist sig at give mere præcise forudsigelser om dem.

"Du skal begynde at lave korrektioner for det faktum, at Newtons beskrivelse af tyngdekraften ikke præcist virker for ekstrem stærk tyngdekraft eller meget hurtig bevægelse," siger Mack. "I de tilfælde er vi nødt til at skifte til Einsteins billede af tyngdekraften... Men så længe du ikke ser på et af de ekstreme tilfælde, er ligningen, som Isaac Newton skrev ned i 1686 for det, han kaldte 'loven om Universal Gravitation' er virkelig universel."

HowStuffWorks kan tjene en lille kommission fra tilknyttede links i denne artikel.

Nu er det interessant

Sir Isaac Newtons garn om æbletræet kan have et grundlag i sandheden. Uanset hvad, betragtes påstanden om, at han blev ramt i hovedet af en faldende frugt, som en moderne udsmykning.

Ofte besvarede spørgsmål

Hvad er 9,8 m s2?

Det er accelerationen på grund af tyngdekraften.