Ein wichtiges Thema im Bereich Mechanik im Physikstudium ist das Gesetz der universellen Gravitation. In diesem Artikel werden wir uns genauer ansehen, was es ist und mit welcher mathematischen Formel es beschrieben wird, und auch Beispiele für die Schwerkraft im menschlichen Alltag und im kosmischen Maßstab geben.
Wer entdeckte das Gesetz der Schwerkraft
Bevor wir Beispiele für die Schwerkraft geben, wollen wir kurz beschreiben, wem die Entdeckung zugeschrieben wird.
Seit der Antike haben Menschen die Sterne und Planeten beobachtet und wussten, dass sie sich auf bestimmten Bahnen bewegen. Außerdem verstand jeder, der keine besonderen Kenntnisse hatte, dass, egal wie weit und hoch er einen Stein oder einen anderen Gegenstand warf, er immer zu Boden fiel. Aber keiner der Menschen ahnte auch nur, dass die Prozesse auf der Erde und den Himmelskörpern von denselben Naturgesetzen gesteuert werden.
Im Jahr 1687 veröffentlichte Sir Isaac Newton eine wissenschaftliche Arbeit, in der er erstmals die Mathematik skizzierteFormulierung des Gesetzes der universellen Gravitation. Zu dieser Formulierung, die er persönlich anerkennt, ist Newton natürlich nicht eigenständig gekommen. Er nutzte einige Ideen seiner Zeitgenossen (z. B. die Existenz einer umgekehrten Proportionalität zum Quadrat des Abstands der Anziehungskraft zwischen Körpern) sowie die gesammelten experimentellen Erfahrungen über die Bahnen der Planeten (Keplers drei Rechtsvorschriften). Newtons Genialität zeigte sich darin, dass der Wissenschaftler nach Analyse aller verfügbaren Erfahrungen in der Lage war, sie in Form einer kohärenten und praktisch anwendbaren Theorie zu formulieren.
Schwerkraftformel
Das Gesetz der universellen Gravitation lässt sich kurz wie folgt formulieren: Zwischen allen Körpern im Universum herrscht eine Anziehungskraft, die umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes ihrer Massenschwerpunkte und direkt proportional zum Produkt ist der Masse der Körper selbst. Für zwei Körper mit den Massen m1 und m2, die einen Abstand r voneinander haben, wird das untersuchte Gesetz geschrieben als:
F=Gm1m2/r2.
Hier ist G die Gravitationskonstante.
Die Anziehungskraft lässt sich mit dieser Formel in allen Fällen berechnen, wenn die Abstände zwischen den Körpern im Verhältnis zu ihrer Größe groß genug sind. Ansonsten und auch bei starker Gravitation in der Nähe von massiven Weltraumobjekten (Neutronensterne, Schwarze Löcher) sollte man die von Einstein entwickelte Relativitätstheorie anwenden. Letzterer betrachtet die Schwerkraft als Ergebnis einer Verzerrung der Raumzeit. In Newtons klassischem GesetzSchwerkraft ist das Ergebnis der Wechselwirkung von Körpern mit einem Energiefeld, wie elektrischen oder magnetischen Feldern.
Die Manifestation der Schwerkraft: Beispiele aus dem Alltag
Erstens können wir als solche Beispiele beliebige fallende Körper aus einer bestimmten Höhe nennen. Zum Beispiel ein Blatt oder der berühmte Apfel von einem Baum, ein Steinschlag, Regentropfen, Bergrutsche und Erdrutsche. In all diesen Fällen tendieren die Körper zum Zentrum unseres Planeten.
Zweitens, wenn ein Lehrer die Schüler bittet, "Beispiele für die Schwerkraft zu geben", sollten sie auch daran denken, dass alle Körper ein Gewicht haben. Wenn das Telefon auf dem Tisch liegt oder eine Person auf der Waage gewogen wird, drückt in diesen Fällen der Körper auf die Auflage. Das Körpergewicht ist ein anschauliches Beispiel für die Manifestation der Schwerkraft, die zusammen mit der Reaktion der Stütze ein Kräftepaar bildet, das sich gegenseitig ausgleicht.
Wenn die Formel aus dem vorherigen Absatz für terrestrische Bedingungen verwendet wird (ersetzen Sie die Masse des Planeten und seinen Radius hinein), dann kann der folgende Ausdruck erh alten werden:
F=mg
Es wird verwendet, um Probleme mit der Schwerkraft zu lösen. Dabei ist g die Beschleunigung, die allen Körpern unabhängig von ihrer Masse im freien Fall gegeben wird. Gäbe es keinen Luftwiderstand, dann würden ein schwerer Stein und eine leichte Feder gleichzeitig aus gleicher Höhe fallen.
Schwerkraft im Universum
Jeder weiß, dass sich die Erde zusammen mit anderen Planeten um die Sonne dreht. Im Gegenzug ist die Sonne drineiner der Arme der Spiralgalaxie, der Milchstraße, dreht sich zusammen mit Hunderten Millionen Sternen um sein Zentrum. Auch die Galaxien selbst nähern sich in sogenannten lokalen Haufen einander an. Wenn wir auf einer Skala zurückgehen, dann sollten wir uns an die Satelliten erinnern, die um ihre Planeten kreisen, die Asteroiden, die auf diese Planeten fallen oder vorbeifliegen. An all diese Fälle kann man sich erinnern, wenn der Lehrer die Schüler fragt: "Nennen Sie Beispiele für die Schwerkraft."
Beachte, dass in den letzten Jahrzehnten die Frage nach der Hauptkraft auf kosmischer Ebene in Frage gestellt wurde. Im lokalen Raum ist es zweifellos die Schwerkraft. Betrachtet man jedoch das Problem auf der Ebene der Galaxie, kommt eine andere, noch unbekannte Kraft ins Spiel, die mit dunkler Materie in Verbindung steht. Letzteres manifestiert sich als Antigravitation.
