Schwerkraft und die Kraft der universellen Gravitation. Schwerkraft: Formel, Definition Abhängigkeit der Kraft der universellen Schwerkraft

Obi-Wan Kenobi sagte, dass Stärke die Galaxie zusammenhält. Das Gleiche gilt auch für die Schwerkraft. Tatsache: Die Schwerkraft ermöglicht es uns, auf der Erde zu laufen, die Erde kann sich um die Sonne drehen und die Sonne kann sich um das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxie bewegen. Wie versteht man die Schwerkraft? Dies wird in unserem Artikel besprochen.

Lassen Sie uns gleich sagen, dass Sie hier keine eindeutig richtige Antwort auf die Frage „Was ist Schwerkraft“ finden werden. Weil es einfach nicht existiert! Die Schwerkraft ist eines der mysteriösesten Phänomene, über das Wissenschaftler rätseln und dessen Natur noch immer nicht vollständig erklärt werden kann.

Es gibt viele Hypothesen und Meinungen. Es gibt mehr als ein Dutzend alternative und klassische Schwerkrafttheorien. Wir werden uns die interessantesten, relevantesten und modernsten ansehen.

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Die Schwerkraft ist eine physikalische Grundwechselwirkung

In der Physik gibt es 4 grundlegende Wechselwirkungen. Dank ihnen ist die Welt genau das, was sie ist. Die Schwerkraft ist eine dieser Wechselwirkungen.

Grundlegende Wechselwirkungen:

• Schwere;
• Elektromagnetismus;
• starke Interaktion;
• schwache Interaktion.

Derzeit ist die aktuelle Theorie zur Beschreibung der Schwerkraft die GTR (Allgemeine Relativitätstheorie). Es wurde 1915-1916 von Albert Einstein vorgeschlagen.

Wir wissen jedoch, dass es noch zu früh ist, über die endgültige Wahrheit zu sprechen. Schließlich dominierte mehrere Jahrhunderte vor dem Aufkommen der Allgemeinen Relativitätstheorie in der Physik die Newtonsche Theorie zur Beschreibung der Schwerkraft, die erheblich erweitert wurde.

Im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie ist es derzeit unmöglich, alle Probleme im Zusammenhang mit der Schwerkraft zu erklären und zu beschreiben.

Vor Newton glaubte man allgemein, dass die Schwerkraft auf der Erde und die Schwerkraft im Himmel verschiedene Dinge seien. Es wurde angenommen, dass sich die Planeten nach ihren eigenen idealen Gesetzen bewegen, die sich von denen auf der Erde unterscheiden.

Newton entdeckte 1667 das Gesetz der universellen Gravitation. Natürlich existierte dieses Gesetz schon zur Zeit der Dinosaurier und noch viel früher.

Antike Philosophen dachten über die Existenz der Schwerkraft nach. Galileo berechnete experimentell die Erdbeschleunigung und stellte fest, dass sie für Körper jeder Masse gleich ist. Kepler untersuchte die Bewegungsgesetze von Himmelskörpern.

Newton gelang es, die Ergebnisse seiner Beobachtungen zu formulieren und zu verallgemeinern. Das hat er bekommen:

Zwei Körper ziehen sich gegenseitig mit einer Kraft an, die Gravitationskraft oder Schwerkraft genannt wird.

Formel für die Anziehungskraft zwischen Körpern:

G ist die Gravitationskonstante, m ist die Masse der Körper, r ist der Abstand zwischen den Massenschwerpunkten der Körper.

Welche physikalische Bedeutung hat die Gravitationskonstante? Sie ist gleich der Kraft, mit der Körper mit einer Masse von jeweils 1 Kilogramm im Abstand von 1 Meter aufeinander einwirken.

Nach Newtons Theorie erzeugt jedes Objekt ein Gravitationsfeld. Die Genauigkeit des Newtonschen Gesetzes wurde bei Abständen von weniger als einem Zentimeter getestet. Für kleine Massen sind diese Kräfte natürlich unbedeutend und können vernachlässigt werden.

Newtons Formel gilt sowohl für die Berechnung der Anziehungskraft von Planeten zur Sonne als auch für kleine Objekte. Wir bemerken einfach nicht die Kraft, mit der beispielsweise die Kugeln auf einem Billardtisch angezogen werden. Dennoch existiert diese Kraft und kann berechnet werden.

Die Anziehungskraft wirkt zwischen allen Körpern im Universum. Seine Wirkung erstreckt sich über jede Entfernung.

Newtons Gesetz der universellen Gravitation erklärt nicht die Natur der Schwerkraft, sondern legt quantitative Gesetze fest. Newtons Theorie widerspricht nicht der GTR. Es ist völlig ausreichend, um praktische Probleme im Erdmaßstab zu lösen und die Bewegung von Himmelskörpern zu berechnen.

Schwerkraft in der Allgemeinen Relativitätstheorie

Obwohl Newtons Theorie in der Praxis durchaus anwendbar ist, weist sie eine Reihe von Nachteilen auf. Das Gesetz der universellen Gravitation ist eine mathematische Beschreibung, bietet jedoch keinen Einblick in die grundlegende physikalische Natur der Dinge.

Nach Newton wirkt die Schwerkraft in jeder Entfernung. Und es funktioniert sofort. Wenn man bedenkt, dass die schnellste Geschwindigkeit der Welt die Lichtgeschwindigkeit ist, gibt es eine Diskrepanz. Wie kann die Schwerkraft in jeder Entfernung sofort wirken, wenn das Licht nicht einen Augenblick, sondern mehrere Sekunden oder sogar Jahre braucht, um sie zu überwinden?

Im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie wird die Schwerkraft nicht als eine auf Körper wirkende Kraft betrachtet, sondern als eine Krümmung von Raum und Zeit unter dem Einfluss der Masse. Somit ist die Schwerkraft keine Kraftwechselwirkung.

Welche Wirkung hat die Schwerkraft? Versuchen wir es mit einer Analogie zu beschreiben.

Stellen wir uns den Raum in Form einer elastischen Folie vor. Wenn Sie einen leichten Tennisball darauf legen, bleibt die Oberfläche eben. Wenn Sie jedoch ein schweres Gewicht neben den Ball legen, drückt dieser ein Loch in die Oberfläche und der Ball beginnt, auf das große, schwere Gewicht zuzurollen. Das ist „Schwerkraft“.

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Entdeckung der Gravitationswellen

Gravitationswellen wurden bereits 1916 von Albert Einstein vorhergesagt, aber erst hundert Jahre später, im Jahr 2015, entdeckt.

Was sind Gravitationswellen? Lassen Sie uns noch einmal eine Analogie ziehen. Wenn Sie einen Stein in ruhiges Wasser werfen, erscheinen Kreise auf der Wasseroberfläche, von wo aus er fällt. Gravitationswellen sind die gleichen Wellen und Störungen. Nur nicht auf dem Wasser, sondern in der Raumzeit der Welt.

Anstelle von Wasser gibt es Raumzeit und anstelle eines Steins beispielsweise ein schwarzes Loch. Jede beschleunigte Massenbewegung erzeugt eine Gravitationswelle. Befinden sich die Körper im freien Fall, ändert sich beim Durchgang einer Gravitationswelle der Abstand zwischen ihnen.

Da die Schwerkraft eine sehr schwache Kraft ist, war der Nachweis von Gravitationswellen bisher mit großen technischen Schwierigkeiten verbunden. Moderne Technologien haben es möglich gemacht, einen Ausbruch von Gravitationswellen nur von supermassiven Quellen zu erkennen.

Ein geeignetes Ereignis zum Nachweis einer Gravitationswelle ist die Verschmelzung von Schwarzen Löchern. Leider oder zum Glück kommt das recht selten vor. Dennoch gelang es den Wissenschaftlern, eine Welle zu registrieren, die buchstäblich durch den Raum des Universums rollte.

Zur Aufzeichnung von Gravitationswellen wurde ein Detektor mit einem Durchmesser von 4 Kilometern gebaut. Beim Durchgang der Welle wurden Schwingungen von Spiegeln an Aufhängungen im Vakuum und die Interferenz des von ihnen reflektierten Lichts aufgezeichnet.

Gravitationswellen bestätigten die Gültigkeit der Allgemeinen Relativitätstheorie.

Schwerkraft und Elementarteilchen

Im Standardmodell sind für jede Wechselwirkung bestimmte Elementarteilchen verantwortlich. Man kann sagen, dass Teilchen Träger von Wechselwirkungen sind.

Für die Schwerkraft ist das Graviton verantwortlich, ein hypothetisches masseloses Teilchen mit Energie. Lesen Sie übrigens in unserem separaten Material mehr über das Higgs-Boson, das viel Lärm verursacht hat, und andere Elementarteilchen.

Zum Schluss noch einige interessante Fakten zur Schwerkraft.

10 Fakten über die Schwerkraft

1. Um die Schwerkraft der Erde zu überwinden, muss ein Körper eine Geschwindigkeit von 7,91 km/s haben. Dies ist die erste Fluchtgeschwindigkeit. Es reicht aus, wenn sich ein Körper (zum Beispiel eine Raumsonde) auf einer Umlaufbahn um den Planeten bewegt.
2. Um dem Schwerefeld der Erde zu entkommen, muss das Raumschiff eine Geschwindigkeit von mindestens 11,2 km/s haben. Dies ist die zweite Fluchtgeschwindigkeit.
3. Die Objekte mit der stärksten Schwerkraft sind Schwarze Löcher. Ihre Schwerkraft ist so stark, dass sie sogar Licht (Photonen) anziehen.
4. Sie werden die Schwerkraft in keiner Gleichung der Quantenmechanik finden. Tatsache ist, dass sie ihre Relevanz verlieren, wenn man versucht, die Schwerkraft in die Gleichungen einzubeziehen. Dies ist eines der wichtigsten Probleme der modernen Physik.
5. Das Wort Schwerkraft kommt vom lateinischen „gravis“, was „schwer“ bedeutet.
6. Je massereicher das Objekt ist, desto stärker ist die Schwerkraft. Wenn ein Mensch, der auf der Erde 60 Kilogramm wiegt, sich auf dem Jupiter wiegt, zeigt die Waage 142 Kilogramm an.
7. NASA-Wissenschaftler versuchen, einen Schwerkraftstrahl zu entwickeln, der es ermöglicht, Objekte berührungslos zu bewegen und so die Schwerkraft zu überwinden.
8. Auch Astronauten im Orbit erfahren die Schwerkraft. Genauer gesagt: Mikrogravitation. Sie scheinen zusammen mit dem Schiff, in dem sie sich befinden, endlos zu fallen.
9. Die Schwerkraft zieht immer an und stößt niemals ab.
10. Das Schwarze Loch in der Größe eines Tennisballs zieht Objekte mit der gleichen Kraft an wie unser Planet.

Jetzt kennen Sie die Definition der Schwerkraft und können sagen, mit welcher Formel die Anziehungskraft berechnet wird. Wenn Sie der Granit der Wissenschaft stärker zu Boden drückt als die Schwerkraft, wenden Sie sich an unseren Studierendenservice. Wir helfen Ihnen, auch unter schwersten Belastungen problemlos zu lernen!

Alle Körper fallen auf die Erde. Der Grund dafür ist die Wirkung der Schwerkraft. Die Kraft, mit der die Erde einen Körper an sich zieht, heißt Schwere. Bezeichnet F schwer. Es ist immer nach unten gerichtet.

Die Schwerkraft ist direkt proportional zur Masse dieses Körpers:

, F = mg

Als Bewegung bezeichnet man die Bewegung eines Körpers unter dem Einfluss der Schwerkraft freier Fall. Es wurde zuerst von G. Galileo untersucht. Er stellte fest, dass sich fallende Körper, wenn sie nur durch die Schwerkraft und nicht durch den Luftwiderstand beeinflusst werden, alle auf die gleiche Weise bewegen, d. h. mit der gleichen Beschleunigung. Er wurde genannt Beschleunigung des freien Falls (g). Dieser Wert lässt sich experimentell ermitteln, indem man die Bewegungen des fallenden Körpers in regelmäßigen Abständen misst. Das zeigen Berechnungen g = 9,8 m/s 2.

Der Globus ist an den Polen leicht abgeflacht. Deshalb am Pol G etwas mehr als am Äquator oder anderen Breitengraden.

Um jeden Körper herum gibt es eine besondere Art von Materie, mit deren Hilfe die Körper interagieren. Es wird Gravitationsfeld genannt.

Die Erde zieht alle Körper an: Häuser, Menschen, den Mond, die Sonne, Wasser in den Meeren und Ozeanen usw. Und alle Körper fühlen sich zueinander hingezogen. Die Anziehung aller Körper im Universum zueinander nennt man universelle Schwerkraft. Im Jahr 1687 bewies und begründete I. Newton als Erster Gesetz der universellen Gravitation.

Zwei Körper ziehen sich gegenseitig mit einer Kraft an, die direkt proportional zum Produkt ihrer Massen und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen ihnen ist.

Diese Kraft wird Schwerkraft (oder Gravitationskraft) genannt.

Anwendungsgrenzen des Gesetzes: für wesentliche Punkte.

G – Gravitationskonstante G=6,67∙10 –11,

Der Zahlenwert der Gravitationskonstante wird experimentell bestimmt. Dies gelang erstmals dem englischen Wissenschaftler Cavendish mithilfe eines Torsionsdynamometers (Torsionswaage). Physikalische Bedeutung: Zwei materielle Punkte mit einem Gewicht von jeweils 1 kg, die sich in einem Abstand von 1 m voneinander befinden, werden durch eine Gravitationskraft von 6,67 · 10 -11 N gegenseitig angezogen.

Aus dem Gesetz der universellen Gravitation folgt, dass die Schwerkraft und die durch sie verursachte Erdbeschleunigung mit zunehmender Entfernung von der Erde abnehmen. In einer Höhe h von der Erdoberfläche wird der Gravitationsbeschleunigungsmodul durch die Formel bestimmt

Die Schwerkraft äußert sich auf zwei Arten: a) Wenn der Körper keine Unterstützung hat, verleiht die Schwerkraft dem Körper die Beschleunigung des freien Falls; b) Wenn ein Körper eine Stütze hat, dann wirkt er, indem er von der Erde angezogen wird, auf die Stütze. Die Kraft, mit der ein Körper aufgrund der Anziehungskraft auf die Erde auf einen Träger einwirkt, wird genannt Gewicht. Auf die Stütze wird Gewicht ausgeübt.

Wenn die Stütze keine Beschleunigung hat, ist der Gewichtsmodul gleich dem Schwerkraftmodul. P=F schwer Wenn die Stütze eine Aufwärtsbeschleunigung aufweist, ist der Gewichtsmodul größer als der Schwerkraftmodul. P=F-Strang +ma. Wenn der Träger eine nach unten gerichtete Beschleunigung aufweist, ist der Gewichtsmodul kleiner als der Schwerkraftmodul. P=F schwer -ma. Wenn die Stütze und der Körper frei fallen, ist das Gewicht Null. P=0. Dieser Zustand wird aufgerufen Schwerelosigkeit.

Mithilfe des Gesetzes der universellen Gravitation lässt sich die erste Fluchtgeschwindigkeit berechnen.

mg=ma; g=a; a=v 2 /R; g=v 2 /R; v 2 =gR; v = √gR., wobei R der Radius des Planeten ist.

Ticket Nr. 5. Experimentelle Begründung der wichtigsten Bestimmungen der molekularkinetischen Theorie der Struktur der Materie. Ideales Gas. Grundgleichung der molekularkinetischen Theorie eines idealen Gases. Temperatur und ihre Veränderung. Absolute Temperatur.

Alle Körper bestehen aus winzigen Teilchen – Atomen und Molekülen. Mit anderen Worten: Die Substanz hat eine diskrete Struktur. Basierend auf der Theorie der diskreten Struktur der Materie können eine Reihe ihrer Eigenschaften erklärt und vorhergesagt werden.

Grundlagen von MKT(molekulare kinetische Theorie)

1. Alle Stoffe bestehen aus Molekülen (Atomen).

2. Moleküle (Atome) bewegen sich ständig und chaotisch.

3. Moleküle (Atome) interagieren miteinander.

4. Es gibt Lücken zwischen Molekülen (Atomen).

Diese Bestimmungen der IKT haben eine experimentelle Grundlage. Diffusion und Brownsche Bewegung bestätigen diese Positionen. Diffusion – gegenseitiges Eindringen von Partikeln eines Stoffes zwischen Partikeln eines anderen Stoffes, wenn diese in Kontakt kommen. Grund Brownsche Bewegung sind die thermische Bewegung flüssiger (oder gasförmiger) Moleküle und ihre Kollisionen mit einem Brownschen Teilchen.

Die zufällige Bewegung der Teilchen, aus denen Körper bestehen, nennt man thermische Bewegung. Alle Moleküle des Körpers nehmen an der thermischen Bewegung teil, daher ändern sich mit einer Änderung der thermischen Bewegung auch der Zustand des Körpers und seine Eigenschaften. Ein Stoff kann in drei Aggregatzuständen vorliegen – fest, flüssig und gasförmig. Der Aggregatzustand wird durch Temperatur und Außendruck bestimmt.

Ein Zustand, in dem ein Stoff keine eigene Form hat und kein Volumen behält, wird als gasförmig bezeichnet, der wiederum in Gas und Dampf unterteilt wird. Ein Gas ist ein gasförmiger Zustand bei einer Temperatur oberhalb der kritischen Temperatur. Gase, die in der Natur vorkommen, werden als real bezeichnet. Bei der Untersuchung der Eigenschaften von Gasen in der Physik verwenden sie ein Modell eines Gases, das in der Natur nicht existiert. Dieses Modell heißt ideales Gas. Es erfüllt die folgenden Bedingungen: 1) seine Moleküle nehmen kein Volumen ein; 2) Da die Moleküle eines idealen Gases weit voneinander entfernt sind, interagieren sie nicht miteinander; 3) molekulare Wechselwirkungen treten nur bei absolut elastischen Stößen auf; 4) Die freie Fahrzeit ist viel größer als die Kollisionszeit.

Jedes Gas wird durch drei Makroparameter bestimmt.

A) Druck (p) ist das Verhältnis von Kraft zu Fläche.( p=F/S)

B) Volumen (V) ist ein Maß für einen begrenzten Raumteil.

C) Temperatur (T) ist ein Maß für die durchschnittliche kinetische Energie der Translationsbewegung von Molekülen.

Für thermische Prozesse gilt dies grundlegende MKT-Gleichung, was so lautet:

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In der Natur gibt es verschiedene Kräfte, die das Zusammenspiel von Körpern charakterisieren. Betrachten wir die Kräfte, die in der Mechanik auftreten.

Gravitationskräfte. Wahrscheinlich war die allererste Kraft, deren Existenz der Mensch erkannte, die Schwerkraft, die auf Körper von der Erde aus wirkte.

Und es dauerte viele Jahrhunderte, bis die Menschen verstanden, dass die Schwerkraft zwischen allen Körpern wirkt. Und es dauerte viele Jahrhunderte, bis die Menschen verstanden, dass die Schwerkraft zwischen allen Körpern wirkt. Der englische Physiker Newton war der erste, der diese Tatsache erkannte. Bei der Analyse der Gesetze, die die Bewegung von Planeten regeln (Keplersche Gesetze), kam er zu dem Schluss, dass die beobachteten Bewegungsgesetze von Planeten nur dann erfüllt werden können, wenn zwischen ihnen eine Anziehungskraft besteht, die direkt proportional zu ihren Massen und umgekehrt proportional zu ihrer ist Quadrat des Abstands zwischen ihnen.

Newton formulierte Gesetz der universellen Gravitation. Zwei beliebige Körper ziehen sich gegenseitig an. Die Anziehungskraft zwischen Punktkörpern ist entlang der sie verbindenden Geraden gerichtet, ist direkt proportional zu den Massen beider und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen ihnen:

Unter Punktkörpern werden dabei Körper verstanden, deren Abmessungen um ein Vielfaches kleiner sind als der Abstand zwischen ihnen.

Die Kräfte der universellen Schwerkraft werden Gravitationskräfte genannt. Der Proportionalitätskoeffizient G wird Gravitationskonstante genannt. Sein Wert wurde experimentell ermittelt: G = 6,7 · 10¯¹¹ N m² / kg².

Schwere Die Wirkung in der Nähe der Erdoberfläche ist auf deren Mittelpunkt gerichtet und wird nach der Formel berechnet:

wobei g die Erdbeschleunigung ist (g = 9,8 m/s²).

Die Rolle der Schwerkraft in der belebten Natur ist von großer Bedeutung, da die Größe, Form und Proportionen der Lebewesen weitgehend von ihrer Größe abhängen.

Körpergewicht. Betrachten wir, was passiert, wenn eine Last auf einer horizontalen Ebene (Stütze) platziert wird. Im ersten Moment nach dem Absenken beginnt die Last, sich unter dem Einfluss der Schwerkraft nach unten zu bewegen (Abb. 8).

Die Ebene biegt sich und es entsteht eine nach oben gerichtete elastische Kraft (Stützreaktion). Nachdem die elastische Kraft (Fу) die Schwerkraft ausgleicht, wird das Absenken des Körpers und die Durchbiegung der Stütze gestoppt.

Die Durchbiegung der Stütze erfolgte unter Einwirkung des Körpers, daher wirkt von der Körperseite her eine bestimmte Kraft (P) auf die Stütze, die als Körpergewicht bezeichnet wird (Abb. 8, b). Nach dem dritten Newtonschen Gesetz ist das Gewicht eines Körpers gleich groß wie die Bodenreaktionskraft und ist in die entgegengesetzte Richtung gerichtet.

P = - Fу = Fschwer.

Körpergewicht heißt die Kraft P, mit der ein Körper auf eine relativ zu ihm bewegungslose horizontale Unterlage einwirkt.

Da die Schwerkraft (Gewicht) auf den Träger wirkt, verformt er sich und wirkt aufgrund seiner Elastizität der Schwerkraft entgegen. Die in diesem Fall von der Seite des Trägers entwickelten Kräfte werden als Trägerreaktionskräfte bezeichnet, und das eigentliche Phänomen der Entwicklung einer Gegenwirkung wird als Trägerreaktion bezeichnet. Nach dem dritten Newtonschen Gesetz ist die Stützreaktionskraft gleich groß wie die Schwerkraft des Körpers und entgegengesetzt gerichtet.

Bewegt sich eine Person auf einer Stütze mit der von der Stütze ausgehenden Beschleunigung der Körperteile, so erhöht sich die Reaktionskraft der Stütze um den Betrag ma, wobei m die Masse der Person und die Beschleunigung ist, mit der die Teile seines Körpers bewegen sich. Diese dynamischen Effekte können mit Dehnungsmessstreifen (Dynamogrammen) erfasst werden.

Gewicht sollte nicht mit Körpergewicht verwechselt werden. Die Masse eines Körpers charakterisiert seine trägen Eigenschaften und hängt weder von der Schwerkraft noch von der Beschleunigung ab, mit der er sich bewegt.

Das Gewicht eines Körpers charakterisiert die Kraft, mit der er auf den Träger einwirkt, und hängt sowohl von der Schwerkraft als auch von der Bewegungsbeschleunigung ab.

Beispielsweise ist das Gewicht eines Körpers auf dem Mond etwa sechsmal geringer als das Gewicht eines Körpers auf der Erde. Die Masse ist in beiden Fällen gleich und wird durch die Menge der Materie im Körper bestimmt.

Im Alltag, in der Technik und im Sport wird das Gewicht oft nicht in Newton (N), sondern in Kilogramm Kraft (kgf) angegeben. Der Übergang von einer Einheit zur anderen erfolgt nach der Formel: 1 kgf = 9,8 N.

Wenn die Stütze und der Körper bewegungslos sind, dann ist die Masse des Körpers gleich der Schwerkraft dieses Körpers. Wenn sich die Stütze und der Körper mit einer gewissen Beschleunigung bewegen, kann der Körper je nach Richtung entweder Schwerelosigkeit oder Überlastung erfahren. Wenn die Beschleunigung in der Richtung übereinstimmt und gleich der Erdbeschleunigung ist, ist das Körpergewicht Null, es entsteht also ein Zustand der Schwerelosigkeit (ISS, Hochgeschwindigkeitsaufzug beim Absenken). Wenn die Beschleunigung der Stützbewegung der Beschleunigung des freien Falls entgegengesetzt ist, erfährt der Mensch eine Überlastung (Start eines bemannten Raumfahrzeugs von der Erdoberfläche, Aufstieg eines Hochgeschwindigkeitsaufzugs).

Das Gesetz der universellen Gravitation wurde 1687 von Newton entdeckt, als er die Bewegung des Mondtrabanten um die Erde untersuchte. Der englische Physiker formulierte klar ein Postulat zur Charakterisierung der Anziehungskräfte. Darüber hinaus berechnete Newton durch die Analyse der Keplerschen Gesetze, dass Gravitationskräfte nicht nur auf unserem Planeten, sondern auch im Weltraum existieren müssen.

Hintergrund

Das Gesetz der universellen Gravitation entstand nicht spontan. Seit der Antike erforschen Menschen den Himmel, hauptsächlich um landwirtschaftliche Kalender zu erstellen, wichtige Daten und religiöse Feiertage zu berechnen. Beobachtungen deuten darauf hin, dass sich im Zentrum der „Welt“ ein Himmelskörper (Sonne) befindet, um den sich Himmelskörper auf Umlaufbahnen drehen. In der Folge ließen die Dogmen der Kirche dies nicht zu, und die Menschen verloren ihr über Jahrtausende angesammeltes Wissen.

Im 16. Jahrhundert, vor der Erfindung der Teleskope, tauchte eine Galaxie von Astronomen auf, die den Himmel auf wissenschaftliche Weise betrachteten und sich dabei über die Verbote der Kirche hinwegsetzten. T. Brahe, der seit vielen Jahren den Weltraum beobachtet, systematisierte die Bewegungen der Planeten mit besonderer Sorgfalt. Diese hochpräzisen Daten halfen I. Kepler später bei der Entdeckung seiner drei Gesetze.

Als Isaac Newton das Gravitationsgesetz entdeckte (1667), war das heliozentrische Weltsystem von N. Copernicus endgültig in der Astronomie etabliert. Demnach dreht sich jeder Planet des Systems auf Bahnen um die Sonne, die mit einer für viele Berechnungen ausreichenden Näherung als kreisförmig angesehen werden können. Zu Beginn des 17. Jahrhunderts. I. Kepler stellte bei der Analyse der Werke von T. Brahe kinematische Gesetze auf, die die Bewegungen der Planeten charakterisieren. Die Entdeckung wurde zur Grundlage für die Aufklärung der Dynamik der Planetenbewegung, also der Kräfte, die genau diese Art ihrer Bewegung bestimmen.

Beschreibung der Interaktion

Im Gegensatz zu kurzzeitigen schwachen und starken Wechselwirkungen haben Schwerkraft und elektromagnetische Felder weitreichende Eigenschaften: Ihr Einfluss zeigt sich über enorme Entfernungen. Mechanische Phänomene im Makrokosmos werden von zwei Kräften beeinflusst: elektromagnetischen Kräften und Gravitationskräften. Der Einfluss von Planeten auf Satelliten, der Flug eines geschleuderten oder gestarteten Objekts, das Schweben eines Körpers in einer Flüssigkeit – in jedem dieser Phänomene wirken Gravitationskräfte. Diese Objekte werden vom Planeten angezogen und ziehen ihn an, daher der Name „Gesetz der universellen Gravitation“.

Es ist erwiesen, dass zwischen physischen Körpern durchaus eine gegenseitige Anziehungskraft besteht. Phänomene wie der Fall von Objekten auf die Erde, die Rotation des Mondes und der Planeten um die Sonne, die unter dem Einfluss der Kräfte der universellen Schwerkraft auftreten, werden als Gravitation bezeichnet.

Gesetz der universellen Gravitation: Formel

Die universelle Schwerkraft lässt sich wie folgt formulieren: Zwei beliebige materielle Objekte werden mit einer bestimmten Kraft zueinander angezogen. Die Größe dieser Kraft ist direkt proportional zum Produkt der Massen dieser Objekte und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen ihnen:

In der Formel sind m1 und m2 die Massen der untersuchten materiellen Objekte; r ist der ermittelte Abstand zwischen den Massenschwerpunkten der berechneten Objekte; G ist eine konstante Gravitationsgröße, die die Kraft ausdrückt, mit der die gegenseitige Anziehung zweier 1 kg schwerer Objekte in einem Abstand von 1 m auftritt.

Wovon hängt die Anziehungskraft ab?

Das Gesetz der Schwerkraft funktioniert je nach Region unterschiedlich. Da die Schwerkraft von den Breitengradwerten in einem bestimmten Gebiet abhängt, hat auch die Erdbeschleunigung an verschiedenen Orten unterschiedliche Werte. Die Schwerkraft und damit auch die Beschleunigung des freien Falls haben an den Polen der Erde ihren Maximalwert – die Schwerkraft ist an diesen Punkten gleich der Anziehungskraft. Die Mindestwerte liegen am Äquator.

Der Globus ist leicht abgeflacht, sein Polarradius ist etwa 21,5 km kleiner als der Äquatorradius. Allerdings ist diese Abhängigkeit im Vergleich zur täglichen Erdrotation weniger bedeutsam. Berechnungen zeigen, dass aufgrund der Abflachung der Erde am Äquator die Größe der Erdbeschleunigung etwas geringer ist als ihr Wert am Pol um 0,18 % und nach täglicher Rotation um 0,34 %.

Allerdings ist am selben Ort auf der Erde der Winkel zwischen den Richtungsvektoren klein, sodass die Diskrepanz zwischen der Anziehungskraft und der Schwerkraft unbedeutend ist und bei Berechnungen vernachlässigt werden kann. Das heißt, wir können davon ausgehen, dass die Module dieser Kräfte gleich sind – die Erdbeschleunigung ist überall gleich und beträgt etwa 9,8 m/s².

Abschluss

Isaac Newton war ein Wissenschaftler, der eine wissenschaftliche Revolution vollzog, die Prinzipien der Dynamik völlig neu aufbaute und auf ihrer Grundlage ein wissenschaftliches Bild der Welt schuf. Seine Entdeckung beeinflusste die Entwicklung der Wissenschaft und die Schaffung materieller und spiritueller Kultur. Es war Newtons Schicksal, die Ergebnisse des Weltbildes zu revidieren. Im 17. Jahrhundert Wissenschaftler haben die grandiose Arbeit geleistet, die Grundlagen einer neuen Wissenschaft zu schaffen – der Physik.