Βαρυτικές δυνάμεις

Γλωσσάριο/νέες έννοιες:

Βάρος – ένα φυσικό μέγεθος που καθορίζει τη δύναμη βαρύτητας με την οποία ένα σώμα δεδομένης μάζας έλκεται από το κέντρο ενός άλλου σώματος μεγαλύτερης μάζας (βαρυτική έλξη). Το βάρος είναι μια δύναμη και επομένως μετριέται σε Newton (N).

Βαρύτητα – δύναμη έλξης μεταξύ όλων των αντικειμένων που έχουν μάζα. Η βαρύτητα της Γης είναι η δύναμη που μας κρατάει σταθερά στο έδαφος, είναι ο λόγος που τα αντικείμενα πέφτουν όταν τα ρίχνουμε, καθορίζει την πλανητική κίνηση γύρω από τον ήλιο.

Βαρυτικό πεδίο – ένα φυσικό πρότυπο, ένα αόρατο δίχτυ γύρω από κάθε σώμα με μάζα. Χρησιμοποιείται για να εξηγήσει την επίδραση που ασκεί ένα σώμα στο χώρο για να δημιουργήσει μια δύναμη σε ένα άλλο σώμα.

Ισχύς βαρυτικού πεδίου – η δύναμη με την οποία το βαρυτικό πεδίο έλκει μια μοναδιαία μάζα (μάζα 1 kg). Μετριέται σε Newton ανά χιλιόγραμμο – N/kg.

Η βαρυτική σταθερά (G) – πιο συχνά αναφερόμενη ως “μεγάλο G”, είναι ένας αριθμός που χρησιμοποιείται στους υπολογισμούς της βαρύτητας, δηλαδή καθορίζει τη δύναμη έλξης μεταξύ δύο σωμάτων. Η τιμή της βαρυτικής σταθεράς είναι πολύ μικρή. Αυτό σημαίνει ότι η βαρύτητα είναι μια σχετικά ασθενής δύναμη (σε σύγκριση με άλλες θεμελιώδεις δυνάμεις στη φύση, π.χ. τις ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις), η οποία χρειάζεται πολύ ογκώδη αντικείμενα για να δημιουργήσει ένα ανιχνεύσιμο βαρυτικό πεδίο.

Γιατί όλα τα ελεύθερα σώματα πέφτουν στο έδαφος;

Γιατί οι άνθρωποι δεν μπορούν να πετάξουν;

Γιατί το φεγγάρι περιστρέφεται γύρω από τη γη και όχι το αντίθετο;

Αυτές και άλλες ενδιαφέρουσες ερωτήσεις απαντώνται σε αυτό το μάθημα.

Βαρύτητα – τι είναι και πώς λειτουργεί;

Η βαρύτητα είναι μια θεμελιώδης δύναμη στη φύση που περιγράφει τη γενική ιδιότητα όλων των σωμάτων με μάζα στο σύμπαν να έλκονται μεταξύ τους. Δύο τεράστια πλοία στη θάλασσα, δύο στυλό τοποθετημένα πάνω σε μια μάζα, ένα πρωτόνιο με ένα ηλεκτρόνιο σε ένα άτομο έλκονται από τη βαρύτητα. Όσο βαρύτερα είναι τα σώματα, τόσο μεγαλύτερη είναι η βαρυτική δύναμη που έλκουν. Αντίθετα, όσο αυξάνεται η απόσταση μεταξύ των κέντρων βάρους των δύο σωμάτων, το μέγεθος της βαρυτικής δύναμης μειώνεται, μέχρι που σταδιακά εξαφανίζεται εντελώς.

Η βαρύτητα είναι η δύναμη που έλκει όλα τα αντικείμενα που έχουν μάζα προς το κέντρο της Γης. Αυτό σημαίνει ότι οτιδήποτε ανεβαίνει προς τα πάνω πρέπει να κατεβαίνει λόγω της βαρύτητας. Η βαρύτητα υπάρχει παντού. Είναι άυλη. Δεν μπορείτε καν να τη δείτε. Είναι μια δύναμη έλξης που υπάρχει μεταξύ των αντικειμένων και της Γης. Δρα στο νερό, στην ξηρά και στον αέρα.

Η βαρύτητα δεν είναι απλώς μια έλξη μεταξύ αντικειμένων και Γης. Καθορίζει τη δύναμη της αμοιβαίας έλξης μεταξύ δύο αντικειμένων και μεταξύ όλων των κοσμικών σωμάτων στο σύμπαν, από τα μικρότερα σωματίδια μέχρι τους μεγαλύτερους γαλαξίες.

Η γήινη βαρύτητα είναι η δύναμη που μας κρατάει σταθερά στο έδαφος, είναι ο λόγος που τα αντικείμενα πέφτουν όταν τα ρίχνουμε, επηρεάζει την κίνηση των δορυφόρων και των αντικειμένων κοντά στη Γη.

Δύο σώματα δεν χρειάζεται να εφάπτονται καθόλου για να έλκονται βαρυτικά. Αυτό καθίσταται δυνατό χάρη στο βαρυτικό πεδίο που δημιουργείται γύρω από κάθε σώμα.

Το βαρυτικό πεδίο είναι ένα φυσικό μοντέλο της αόρατης δύναμης που δημιουργείται γύρω από κάθε σώμα που έχει μάζα. Χρησιμοποιείται για να εξηγήσει την επίδραση που ασκεί ένα σώμα στο χώρο για να δημιουργήσει μια δύναμη σε ένα άλλο σώμα σε οποιοδήποτε σημείο του χώρου.

Η ισχύς του βαρυτικού πεδίου είναι η δύναμη με την οποία το βαρυτικό πεδίο έλκει μια μοναδιαία μάζα (μάζα 1 kg). Μετριέται σε Newton ανά χιλιόγραμμο – N/kg. Είναι διανυσματικό μέγεθος, που σημαίνει ότι έχει τόσο μέγεθος όσο και κατεύθυνση. Η κατεύθυνση της δύναμης κατευθύνεται πάντα προς το κέντρο του σώματος που δημιουργεί το πεδίο.

Η κίνηση των πλανητών επηρεάζεται από τις μεταξύ τους βαρυτικές δυνάμεις και η βαρυτική αλληλεπίδραση μεταξύ Σελήνης, Γης και Ήλιου προκαλεί τις παλίρροιες στους ωκεανούς. Η βαρύτητα έλκει όλα τα αντικείμενα, μικρά και μεγάλα. Βρίσκεται παντού – στο νερό, στην ξηρά και στον αέρα. Χωρίς αυτήν, η ζωή στη Γη δεν θα υπήρχε, επειδή συγκρατεί την ατμόσφαιρα και εμποδίζει τη διαφυγή του νερού στο διάστημα.

Υπάρχει μια ουσιαστική διαφορά μεταξύ των βαρυτικών δυνάμεων και των ηλεκτρικών ή μαγνητικών δυνάμεων. Οι βαρυτικές δυνάμεις είναι πάντα μόνο ελκτικές – τα σώματα δεν απωθούνται ποτέ βαρυτικά. Ενώ δύο ηλεκτρικά φορτία με το ίδιο πρόσημο ή δύο μαγνήτες που βρίσκονται αντιμέτωποι με τους ίδιους πόλους μπορούν να απωθούνται μεταξύ τους.

Η βαρυτική δύναμη μεταξύ δύο σωμάτων εξαρτάται από τις μάζες των σωμάτων και τη μεταξύ τους απόσταση. Όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα του σώματος, τόσο ισχυρότερο είναι το βαρυτικό πεδίο που δημιουργεί. Όσο αυξάνεται η απόσταση από το κέντρο του σώματος, τόσο μειώνεται η ισχύς του βαρυτικού πεδίου.

Ο νόμος της παγκόσμιας έλξης του Νεύτωνα

Η αμοιβαία βαρυτική έλξη δύο σωμάτων περιγράφηκε από τον Ισαάκ Νεύτωνα το 1687. Συνόψισε τα αποτελέσματα πολυάριθμων αστρονομικών παρατηρήσεων της κίνησης της Σελήνης και άλλων πλανητών και διατύπωσε τον νόμο της βαρύτητας, ο οποίος ισχύει ακόμη και σήμερα.

Πηγή: https://humanachievementalliance.org/wp-content/uploads/2020/10/2-Newton.jpg

Ο νόμος αυτός, γνωστός ως νόμος της παγκόσμιας έλξης, περιγράφει μαθηματικά τη σχέση μεταξύ της δύναμης της βαρυτικής έλξης, των μαζών των σωμάτων και της απόστασης μεταξύ τους. Δηλώνει:

Από αυτόν τον νόμο μπορούμε να εξάγουμε έναν τύπο για τον υπολογισμό της έντασης του βαρυτικού πεδίου

Πηγή:
https://bg.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B0%D0%B9%D0%BB:
NewtonsLawOfUniversalGravitation.svg

Πού:

F1 και F2 είναι οι δυνάμεις έλξης μεταξύ δύο οποιωνδήποτε σωμάτων 1 και 2 (η δύναμη έλξης μεταξύ των δύο υλικών σημείων)
G είναι η βαρυτική σταθερά
m₁ είναι η μάζα του πρώτου υλικού σημείου
m₂ είναι η μάζα του δεύτερου υλικού σημείου
r είναι η απόσταση μεταξύ του κέντρου των δύο μαζών (υλικά σημεία)

Η σταθερά της βαρύτητας (G) – που συνήθως αναφέρεται ως “μεγάλο G”, είναι ένας αριθμός που χρησιμοποιείται στους υπολογισμούς της βαρύτητας, δηλαδή καθορίζει τη δύναμη έλξης μεταξύ δύο σωμάτων. Η τιμή της βαρυτικής σταθεράς είναι πολύ μικρή: G = 6.673 * 10^-11 N m² /kg² . Αυτό σημαίνει ότι η βαρύτητα είναι μια σχετικά ασθενής δύναμη (σε σύγκριση με άλλες θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης, π.χ. τις ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις) που χρειάζεται πολύ ογκώδη αντικείμενα για να δημιουργήσει ένα ανιχνεύσιμο βαρυτικό πεδίο.

Οι βαρυτικές δυνάμεις είναι μετρήσιμες και μπορούν να παρατηρηθούν μόνο όταν τουλάχιστον ένα από τα δύο σώματα έχει αρκετά μεγάλη μάζα.

Για παράδειγμα: δεν παρατηρούμε καμία έλξη μεταξύ δύο μήλων που τοποθετούνται στο τραπέζι. Όμως η βαρυτική δύναμη του Ήλιου καθορίζει την κίνηση των πλανητών στο ηλιακό σύστημα- η βαρύτητα της Γης έλκει τη Σελήνη και η βαρύτητα της Σελήνης έλκει τη Γη. Δεδομένου ότι η Γη έχει πολύ μεγαλύτερη μάζα από τη Σελήνη, η βαρυτική της έλξη είναι ισχυρότερη.

Πηγή: https://cdn.britannica.com/26/157426-131-16C2E991/moon-Planet-Earth-space.jpg 

Οι παλίρροιες στους ωκεανούς είναι το αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης μεταξύ των βαρυτικών δυνάμεων της Σελήνης και της Γης, προκαλώντας περιοδική άνοδο και πτώση της στάθμης της θάλασσας.

Ρίξτε μια ματιά στα παρακάτω σύντομα βίντεο και απαντήστε στις ακόλουθες ερωτήσεις:

• Ποιες πιστεύετε ότι είναι οι επιπτώσεις της ασθενέστερης βαρύτητας της Σελήνης από αυτή της Γης;
• Θα ήταν πιο δύσκολο ή πιο εύκολο για τους αστροναύτες να κινηθούν στη Σελήνη, πόσο ψηλά μπορούν να πηδήξουν σε σύγκριση με τη Γη;
• Και πώς θα πέφτουν τα αντικείμενα;

Αιτιολογήστε τις υποθέσεις σας.

https://youtu.be/H9YMgx5T9Sk
https://youtu.be/uzjA5d0QXv8
https://youtu.be/suQDwZcnJdg