Βαρύτητα
Από τη Βικιπαίδεια, την ελεύθερη εγκυκλοπαίδεια
Στη φυσική, βαρύτητα ονομάζεται η ιδιότητα των υλικών σωμάτων να έλκουν άλλα υλικά σώματα. Τα ελκόμενα σώματα κινούνται με επιταχυνόμενη κίνηση προς το έλκον σώμα. Οι έλξεις είναι αμοιβαίες. Το μέτρο της αντίστασης, που παρουσιάζει κάθε σώμα στην μεταβολή της κινητικής του κατάστασης, το ονομάζουμε μάζα του σώματος. Η δύναμη έλξης, που ονομάζεται βάρος, είναι μεγαλύτερη όταν τα σώματα είναι πλησιέστερα.
Η βαρύτητα στη γη έλκει τα υλικά σώματα και προκαλεί την πτώση τους στην επιφάνειά της όταν αφεθούν ελεύθερα. Επιπροσθέτως, η βαρύτητα είναι η αιτία της ύπαρξης της γης, του ήλιου και άλλων αστρικών σωμάτων. Χωρίς αυτή δεν θα είχε υπάρξει ζωή, όπως τη γνωρίζουμε σήμερα. Η βαρύτητα είναι επίσης υπεύθυνη για την τροχιά της γης και των υπόλοιπων πλανητών γύρω από τον ήλιο, την τροχιά της σελήνης γύρω από τη γη, τον σχηματισμό παλιρροιών και άλλα φυσικά φαινόμενα που παρατηρούμε.
Η βαρύτητα είναι μία από τις τέσσερις βασικές αλληλεπιδράσεις στη φύση. Οι άλλες τρεις είναι η ηλεκτρομαγνητική δύναμη, η ασθενής πυρηνική και η ισχυρή πυρηνική. Η βαρύτητα είναι η πιο αδύναμη από τις τέσσερις αλληλεπιδράσεις, αλλά δρα σε μεγάλες αποστάσεις και είναι πάντοτε ελκτική.
Πίνακας περιεχομένων |
[Επεξεργασία] Η ιστορία της βαρυτικής θεωρίας
Υπήρξαν πολλές θεωρίες για την βαρύτητα από την εποχή του Έλληνα φιλόσοφου Αριστοτέλη τον 4ο αιώνα π.Χ.. Πίστευε πως δεν υπήρχε δράση χωρίς αιτία και επομένως δεν υπήρχε κίνηση χωρίς κάποια δύναμη. Συμπέρανε ότι όλα τα αντικείμενα προσπαθούσαν να κινηθούν προς την κατάλληλη θέση τους στις κρυστάλλινες ουράνιες σφαίρες και ότι τα σώματα έπεφταν προς το κέντρο της γης ανάλογα με το βάρος τους. Το 628, ο Ινδός αστρονόμος Βραχμαγκούπτα (Brahmagupta) ήταν ο πρώτος που διαπίστωσε πως η βαρύτητα ήταν μια ελκτική δύναμη. Εξηγούσε πως "τα σώματα πέφτουν προς την γη καθώς είναι στη φύση της γης να έλκει σώματα, όπως είναι στη φύση του νερού το να ρέει". Ο Σανσκριτικός όρος που χρησιμοποιούσε για τη βαρύτητα, 'gurutvā-karṣaṇam', σήμαινε 'η έλξη του βάρους'. Ο Βραχμαγκούπτα επίσης υιοθέτησε το ηλιοκεντρικό σύστημα για την βαρύτητα, το οποίο είχε νωρίτερα αναπτύξει ο Αριαμπιάτα (Aryabhata) το 499.
Εργαζόμενος πάνω σε αυτές τις ιδέες, το 1687 ο Άγγλος μαθηματικός Σερ Ισαάκ Νεύτων (Sir Isaac Newton) δημοσίευσε το διάσημο έργο του "Principia" ("Μαθηματικές αρχές της Φυσικής Φιλοσοφίας"), όπου και διατυπώθηκε το πρώτο αξίωμα για την βαρύτητα, το οποίο είχε παγκόσμια ισχύ. Όπως το έθεσε ο ίδιος, "Συμπέρανα ότι οι δυνάμεις που συγκρατούν τους πλανήτες στην τροχιά τους πρέπει να είναι αντιστρόφως (ανάλογες) ως προς τα τετράγωνα των αποστάσεων από τα κέντρα γύρω από τα οποία περιφέρονται· και εξ αυτού συνέκρινα τη δύναμη που απαιτείται για να συγκρατεί την Σελήνη στην τροχιά της με την ισχύ της βαρύτητας στην επιφάνεια της Γης. Και τις βρήκα να συμφωνούν με ικανοποιητική προσέγγιση". Οι περισσότεροι σύγχρονοι μη σχετικιστικοί υπολογισμοί για τη βαρύτητα βασίζονται στο έργο του Νεύτωνα.
[Επεξεργασία] Ο παγκόσμιος βαρυτικός νόμος του Νεύτωνα
Ο νόμος του Νεύτωνα για τη βαρύτητα διατυπώνεται ως εξής:
- κάθε σωματίδιο στο σύμπαν έλκει κάθε άλλο σωματίδιο με δύναμη ανάλογη του γινομένου των μαζών τους και αντιστρόφως ανάλογη του τετραγώνου της απόστασης του κέντρου βάρους τους.
Αν τα σωματίδια έχουν μάζες m1 και m2 και τα κέντρα βάρους τους απέχουν απόσταση r, το μέγεθος (το μέτρο) αυτής της βαρυτικής δύναμης είναι:
όπου F είναι η βαρυτική δύναμη και G η παγκόσμια βαρυτική σταθερά ().
[Επεξεργασία] Η βαρύτητα στη γη
Κάθε πλανήτης συμπεριλαμβανομένης και της γης έχει τα δικά του χαρακτηριστικά όσον αφορά την δύναμη της βαρύτητας, και το μέτρο αυτής διαφοροποιείται (συνήθως μετράται στο επίπεδο της επιφάνειας του κάθε πλανήτη). Η επιτάχυνση εξαιτίας της δύναμης της βαρύτητας στη γη είναι ίση με 9.81 m/s² και συμβολίζεται με το γράμμα g. Αυτό σημαίνει ότι αγνοώντας την αντίσταση του αέρα, ένα αντικείμενο θα εκτελεί ελεύθερη πτώση κοντά στην επιφάνεια της γης και η ταχύτητα του θα αυξάνεται με ρυθμό 9.81m/s για κάθε δευτερόλεπτο της πτώσης του. Έτσι ένα αντικείμενο από κατάσταση ηρεμίας και αφού αφεθεί ελεύθερο θα έχει ταχύτητα 9.81 m/s μετά από ένα δευτερόλεπτο, 19.62 m/s μετά από δύο δευτερόλεπτα κ.ο.κ. Το σώμα που εκτελεί ελεύθερη πτώση ασκεί και αυτό με τη σειρά του ασκεί στη γη δύναμη ανάλογου μέτρου και αντίθετης φοράς με αυτή που του ασκεί η ίδια, κάτι το οποίο σημαίνει πως η γη επιταχύνει προς το σώμα. Όμως εξαιτίας της τεράστιας μάζας της γης σε σχέση με το σώμα η επιτάχυνση αυτή είναι αμελητέα.
[Επεξεργασία] Βαρύτητα και αστρονομία
Οι ανακαλύψεις και εφαρμογές σύμφωνα με το νόμο της Βαρύτητας του Νεύτωνα μας έχουν δώσει λεπτομερείς πληροφορίες σχετικά με τους πλανήτες στο ηλιακό μας σύστημα, τη μάζα του ήλιου και την απόσταση των μακρινών αστερισμών. Παρόλο που δεν έχουμε φτάσει σε όλους τους πλανήτες ξέρουμε τη μάζα τους και αυτό επιτεύχθηκε μέσω της μελέτης των νόμων της βαρύτητας. Στο διάστημα όλα τα σώματα βρίσκονται σε τροχιά γύρω από αντικείμενα με πολύ μεγαλύτερη μάζα και αυτό εξαιτίας της δύναμης της βαρύτητας. Οι πλανήτες βρίσκονται σε τροχιά γύρω από τους αστέρες, οι αστέρες γύρω από τα κέντρα των γαλαξιών και οι γαλαξίες γύρω από ένα κέντρο μάζας σε συστοιχίες.
[Επεξεργασία] Εφαρμογές
Η σωστή λειτουργία ενός μεγάλου αριθμού μηχανών, συσκευών και συστημάτων εξαρτάται με κάποιο τρόπο από τη βαρύτητα. Για παράδειγμα η διαφορά στο ύψος μπορεί να χρησιμεύσει σαν πίεση σε ένα υγρό όταν μιλάμε για ένα υδραγωγείο ή για έναν ιατρικό ορό. Επίσης με τη βοήθεια της βαρύτητας, έχουμε τη δυνατότητα να παράγουμε ηλεκτρικό ρεύμα από τα υδροηλεκτρικά εργοστάσια. Ένα ρολόι που λειτουργεί με ένα εκκρεμές βασίζει τη λειτουργία του στη δύναμη της βαρύτητας για τον υπολογισμό του χρόνου. Ο τεχνητός ορίζοντας στην αεροπλοΐα βασίζεται σε εφαρμογές της δύναμης της βαρύτητας για να απεικονιστεί η κλήση του αεροπλάνου. Τέλος οι τεχνητοί δωρυφόροι είναι και αυτοί μια εφαρμογή της βαρύτητας που μαθηματικά είχε διατυπωθεί στο έργο "Principia" του Νεύτωνα.