Kiến thức Phổ thông

Trọng lực là gì? Định luật Vạn vật Hấp dẫn: cách Newton tìm ra trọng lực và ứng dụng thực tiễn

Định luật Vạn vật hấp dẫn của Newton định nghĩa lực hấp dẫn giữa tất cả các vật có khối lượng. Hiểu được định luật Vạn vật hấp dẫn, một trong những lực cơ bản của vật lý, mang lại cho chúng ta những hiểu biết sâu sắc về cách thức hoạt động của vũ trụ.

Câu chuyện khai sinh ra ý tưởng về Thuyết vạn vật hấp dẫn của Newton

Câu chuyện nổi tiếng mà Isaac Newton đã đưa ra ý tưởng cho định luật Vạn vật hấp dẫn bằng cách để một quả táo rơi trên đầu là không đúng, mặc dù ông đã bắt đầu nghĩ về vấn đề trong trang trại của mẹ mình khi nhìn thấy một quả táo rơi từ trên cây. Anh tự hỏi liệu cùng một lực làm việc trên quả táo cũng có tác dụng trên mặt trăng. Nếu vậy, tại sao quả táo rơi xuống Trái đất mà không phải mặt trăng? Cùng với Ba định luật về chuyển động của mình, Newton cũng phác thảo định luật Vạn vật hấp dẫn của mình trong cuốn sách năm 1687 – Philosophiae Naturalis viceia mathicala (Nguyên lý toán học của triết học tự nhiên), thường được gọi là Nguyên lý.

Johannes Kepler (nhà vật lý người Đức, 1571-1630) đã phát triển ba định luật điều chỉnh chuyển động của năm hành tinh được biết đến sau đó. Ông không có một mô hình lý thuyết cho các nguyên tắc chi phối phong trào này, mà là đạt được chúng thông qua thử nghiệm và sai sót trong quá trình nghiên cứu của ông. Công việc của Newton, gần một thế kỷ sau, là đưa ra các định luật về chuyển động mà ông đã phát triển và áp dụng chúng vào chuyển động hành tinh để phát triển một khung toán học nghiêm ngặt cho chuyển động hành tinh này.

Newton tìm ra lực hấp dẫn

Cuối cùng Newton đã đi đến kết luận rằng, trên thực tế, quả táo và mặt trăng bị ảnh hưởng bởi cùng một lực. Ông đặt tên cho lực hấp dẫn đó (hoặc trọng lực) theo từ gravitas trong tiếng Latin có nghĩa đen là “độ nặng” hoặc “trọng lượng”. Trong nguyên tắc, Newton đã định nghĩa lực hấp dẫn theo cách sau (dịch từ tiếng Latinh):

Mỗi hạt vật chất trong vũ trụ thu hút mọi hạt khác bằng một lực tỷ lệ thuận với tích của khối lượng của các hạt và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng.

Về mặt toán học, điều này chuyển thành phương trình lực: FG = Gm1m2 / r2. Trong phương trình này, các đại lượng được định nghĩa là:

  • Fg = Lực hấp dẫn (đơn vị: Newton)
  • G = Hằng số hấp dẫn, bổ sung mức tỷ lệ thích hợp cho phương trình. Giá trị của G là 6,67259 x 10-11 N * m2 / kg2, mặc dù giá trị sẽ thay đổi nếu các đơn vị khác đang được sử dụng.
  • m1 & m1 = Khối lượng của hai hạt (thường tính bằng kilogam)
  • r = Khoảng cách đường thẳng giữa hai hạt (thường tính bằng mét)

Giải thích Phương trình trọng lực – Khai sinh Thuyết Vạn vật Hấp dẫn

Phương trình này cho chúng ta độ lớn của lực, đó là một lực hấp dẫn và do đó luôn luôn hướng về hạt khác. Theo Định luật về chuyển động thứ ba của Newton, lực này luôn bằng nhau và ngược lại. Ba định luật về chuyển động của Newton cung cấp cho chúng ta các công cụ để giải thích chuyển động do lực gây ra và chúng ta thấy rằng hạt có khối lượng nhỏ hơn (có thể hoặc không phải là hạt nhỏ hơn, tùy thuộc vào mật độ của chúng) sẽ tăng tốc hơn so với hạt khác. Đây là lý do tại sao các vật thể nhẹ rơi xuống Trái đất nhanh hơn đáng kể so với Trái đất rơi về phía chúng. Tuy nhiên, lực tác dụng lên vật sáng và Trái đất có cường độ giống hệt nhau, mặc dù nó không giống như vậy.

Cũng cần lưu ý rằng lực tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa các vật. Khi các vật thể cách xa nhau hơn, lực hấp dẫn giảm rất nhanh. Ở hầu hết các khoảng cách, chỉ những vật thể có khối lượng rất lớn như hành tinh, sao, thiên hà và lỗ đen mới có bất kỳ hiệu ứng trọng lực đáng kể nào.

Trung tâm của lực hấp dẫn – trọng lực

Trọng lực là gì? Định luật Vạn vật Hấp dẫn: cách Newton tìm ra trọng lực và ứng dụng thực tiễn

Trong một vật thể gồm nhiều hạt, mọi hạt tương tác với mọi hạt của vật thể kia. Vì chúng ta biết rằng các lực (bao gồm cả trọng lực) là đại lượng vectơ, chúng ta có thể xem các lực này có các thành phần theo hướng song song và vuông góc của hai vật thể. Trong một số vật thể, chẳng hạn như các quả cầu có mật độ đồng đều, các thành phần lực vuông góc sẽ triệt tiêu lẫn nhau, vì vậy chúng ta có thể coi các vật thể như thể chúng là các hạt điểm, liên quan đến chính chúng ta chỉ có lực ròng giữa chúng.

Trọng tâm của một vật thể (thường giống với trọng tâm của nó) rất hữu ích trong những tình huống này. Chúng tôi xem trọng lực và thực hiện các tính toán, như thể toàn bộ khối lượng của vật thể được tập trung tại trọng tâm. Trong các hình đơn giản – hình cầu, đĩa tròn, tấm hình chữ nhật, hình khối, v.v. – điểm này nằm ở trung tâm hình học của vật thể. Mô hình lý tưởng hóa tương tác hấp dẫn này có thể được áp dụng trong hầu hết các ứng dụng thực tế, mặc dù trong một số tình huống bí truyền hơn như trường hấp dẫn không đồng nhất, việc chăm sóc thêm có thể cần thiết cho sự chính xác.

Chỉ số đo lường trọng lực là gì?

Định luật vạn vật hấp dẫn của Isaac Newton (tức định luật hấp dẫn) có thể được đưa vào dạng trường hấp dẫn, có thể chứng minh là một phương tiện hữu ích để xem xét tình huống. Thay vì tính toán lực giữa hai vật thể mỗi lần, chúng ta thay vào đó nói rằng một vật có khối lượng tạo ra trường hấp dẫn xung quanh nó. Trường hấp dẫn được định nghĩa là lực hấp dẫn tại một điểm nhất định chia cho khối lượng của một vật tại điểm đó.

Cả g và Fg đều có mũi tên phía trên chúng, biểu thị bản chất vectơ của chúng. Khối lượng M hiện được viết hoa. R ở cuối hai công thức ngoài cùng bên phải có một carat (^) phía trên nó, có nghĩa là nó là một vectơ đơn vị theo hướng từ điểm nguồn của khối lượng M.

Vì vectơ chỉ ra khỏi nguồn trong khi lực (và trường) được hướng về nguồn, một âm được đưa ra để làm cho các vectơ chỉ đúng hướng. Phương trình này mô tả trường vectơ xung quanh M luôn hướng về phía nó, với giá trị bằng với gia tốc trọng trường của một vật trong trường. Đơn vị của trường hấp dẫn là m / s2.

Khi một vật thể di chuyển trong trường hấp dẫn, công việc phải được thực hiện để đưa nó từ nơi này sang nơi khác (điểm bắt đầu từ điểm 1 đến điểm 2). Sử dụng phép tính, chúng ta lấy tích phân của lực từ vị trí bắt đầu đến vị trí kết thúc. Do các hằng số hấp dẫn và khối lượng không đổi, nên tích phân hóa ra chỉ là tích phân 1 / r2 nhân với các hằng số.

Chúng ta xác định năng lượng hấp dẫn tiềm năng, U, sao cho W = U1 – U2. Điều này mang lại phương trình về bên phải, cho Trái đất (với khối lượng mE. Trong một số trường hấp dẫn khác, mE sẽ được thay thế bằng khối lượng thích hợp, tất nhiên.

Lực hấp dẫn trên trái đất

Trên Trái đất, vì chúng ta biết các đại lượng có liên quan, năng lượng hấp dẫn U có thể giảm xuống một phương trình tính theo khối lượng m của vật thể, gia tốc trọng trường (g = 9,8 m / s) và khoảng cách y ở trên nguồn gốc tọa độ (nói chung là mặt đất trong một vấn đề trọng lực). Phương trình đơn giản này mang lại một năng lượng hấp dẫn: U = mgy

Có một số chi tiết khác về việc áp dụng lực hấp dẫn trên Trái đất, nhưng đây là thực tế có liên quan đến năng lượng hấp dẫn. Lưu ý rằng nếu r trở nên lớn hơn (một vật đi lên cao hơn), năng lượng hấp dẫn sẽ tăng (hoặc trở nên ít âm hơn). Nếu vật thể di chuyển thấp hơn, nó sẽ đến gần Trái đất hơn, do đó năng lượng hấp dẫn sẽ giảm (trở nên tiêu cực hơn).

Ở một sự khác biệt vô hạn, năng lượng hấp dẫn có giá trị bằng không. Nói chung, chúng tôi thực sự chỉ quan tâm đến sự khác biệt về năng lượng tiềm năng khi một vật thể di chuyển trong trường hấp dẫn, vì vậy giá trị âm này không phải là vấn đề đáng lo ngại.

Công thức này được áp dụng trong tính toán năng lượng trong trường hấp dẫn. Là một dạng năng lượng, năng lượng hấp dẫn phải tuân theo định luật bảo toàn năng lượng.

Khi Newton trình bày lý thuyết về trọng lực của mình, ông không có cơ chế cho cách thức hoạt động của lực. Các vật thể kéo nhau qua những hố lớn của không gian trống rỗng, dường như đi ngược lại mọi thứ mà các nhà khoa học mong đợi. Phải mất hơn hai thế kỷ trước khi một khung lý thuyết sẽ giải thích thỏa đáng tại sao lý thuyết của Newton thực sự hoạt động.

Trong Thuyết tương đối tổng quát của mình, Albert Einstein đã giải thích lực hấp dẫn là độ cong của không thời gian xung quanh bất kỳ khối lượng nào. Các vật thể có khối lượng lớn hơn gây ra độ cong lớn hơn, và do đó thể hiện lực hấp dẫn lớn hơn. Điều này đã được hỗ trợ bởi nghiên cứu cho thấy ánh sáng thực sự uốn quanh các vật thể lớn như mặt trời, theo lý thuyết sẽ được dự đoán do chính không gian cong tại điểm đó và ánh sáng sẽ đi theo con đường đơn giản nhất xuyên qua không gian. Có nhiều chi tiết hơn cho lý thuyết, nhưng đó là điểm chính.

Trọng lực lượng tử là gì?

Những nỗ lực hiện tại trong vật lý lượng tử đang cố gắng hợp nhất tất cả các lực cơ bản của vật lý thành một lực thống nhất biểu hiện theo những cách khác nhau. Cho đến nay, lực hấp dẫn đang chứng minh trở ngại lớn nhất để kết hợp với lý thuyết thống nhất. Một lý thuyết về lực hấp dẫn lượng tử như vậy cuối cùng sẽ hợp nhất thuyết tương đối rộng với cơ học lượng tử thành một quan điểm duy nhất, liền mạch và thanh lịch rằng tất cả các tính chất hoạt động dưới một loại tương tác hạt cơ bản.

Trong lý thuyết lực hấp dẫn lượng tử, người ta đưa ra giả thuyết rằng tồn tại một hạt ảo gọi là graviton làm trung gian cho lực hấp dẫn bởi vì đó là cách mà ba lực cơ bản khác hoạt động (hoặc một lực, vì về cơ bản, chúng đã hợp nhất với nhau) . Graviton, tuy nhiên, đã không được quan sát bằng thực nghiệm.

Xem thêm: Trọng lực lượng tử là gì?

Ứng dụng của định luật Vạn vật Hấp dẫn

Bài viết này đã đề cập đến các nguyên tắc cơ bản của trọng lực. Kết hợp trọng lực vào các tính toán động học và cơ học là khá dễ dàng, một khi bạn hiểu cách giải thích lực hấp dẫn trên bề mặt Trái Đất. Mục tiêu chính của Newton là giải thích chuyển động hành tinh. Như đã đề cập trước đó, Johannes Kepler đã nghĩ ra ba định luật về chuyển động hành tinh mà không sử dụng định luật Vạn vật hấp dẫn của Newton. Chúng, hóa ra, hoàn toàn phù hợp và trên thực tế, người ta có thể chứng minh tất cả các Định luật của Kepler bằng cách áp dụng lý thuyết hấp dẫn phổ quát của Newton.

Xem thêm:

Điện từ là gì? Điện và từ tính có giống nhau không?

Điện từ là gì? Điện từ là lực được tạo ra bằng cách di chuyển các điện tích, các cực ...
Xem thêm

Định luật Jun-len-xơ là gì? Điện và công suất điện (Joule – Lenz)

Định luật Jun - Lenxơ là gì? Định luật Jun - Lenxơ là một mô tả toán học về tốc ...
Xem thêm

Mô-đun khối là gì?

Định nghĩa Mô-đun khối Mô đun khối (Mô đun số lượng lớn) là một hằng số mô tả mức độ ...
Xem thêm

Điện từ trường là gì? Hiệu ứng từ của một dòng điện

Hiệu ứng từ của một dòng điện là gì? Dòng điện tạo ra lực từ cũng có thể được gọi ...
Xem thêm

Hiểu về thí nghiệm Con mèo của Schrodinger là gì?

Erwin Schrodinger là một trong những nhân vật quan trọng trong vật lý lượng tử, ngay cả trước thí nghiệm ...
Xem thêm

Siêu sao khổng lồ đỏ là gì? Tiền thân của một Hố đen vũ trụ

Siêu sao khổng lồ đỏ là một trong những ngôi sao lớn nhất trên bầu trời. Chúng vốn dĩ không ...
Xem thêm
Back to top button
Close

Adblock Detected

Please consider supporting us by disabling your ad blocker