Gravitasi adalah gaya paling kuat di Alam Semesta, salah satu dari empat prinsip dasar alam semesta, yang menentukan strukturnya. Dahulu kala, berkat itu, planet, bintang, dan seluruh galaksi muncul. Saat ini, ia menjaga Bumi tetap pada orbitnya dalam perjalanannya yang tiada akhir mengelilingi Matahari.
Ketertarikan juga sangat penting bagi kehidupan sehari-hari seseorang. Berkat kekuatan tak terlihat ini, lautan di dunia kita berdenyut, sungai mengalir, dan tetesan air hujan jatuh ke tanah. Sejak kecil kita merasakan beban tubuh kita dan benda-benda disekitarnya. Pengaruh gravitasi terhadap aktivitas perekonomian kita juga sangat besar.
Teori gravitasi pertama diciptakan oleh Isaac Newton pada akhir abad ke-17. Hukum Gravitasi Universalnya menjelaskan interaksi ini dalam kerangka mekanika klasik. Fenomena ini dijelaskan lebih luas oleh Einstein dalam teori relativitas umum yang diterbitkan pada awal abad lalu. Proses yang terjadi dengan gaya gravitasi pada tingkat partikel elementer seharusnya dijelaskan oleh teori gravitasi kuantum, tetapi teori tersebut belum diciptakan.
Kita mengetahui lebih banyak tentang sifat gravitasi saat ini dibandingkan pada zaman Newton, namun meskipun telah dipelajari selama berabad-abad, hal ini masih tetap menjadi batu sandungan bagi fisika modern. Ada banyak titik kosong dalam teori gravitasi yang ada, dan kita masih belum memahami secara pasti apa yang menyebabkannya dan bagaimana interaksi ini ditransfer. Dan tentu saja kita masih sangat jauh dari kemampuan mengendalikan gaya gravitasi, sehingga antigravitasi atau levitasi akan bertahan lama hanya di halaman novel fiksi ilmiah.
Apa yang menimpa kepala Newton?
Orang-orang selalu bertanya-tanya tentang sifat gaya yang menarik benda ke bumi, namun baru pada abad ke-17 Isaac Newton berhasil menyingkap tabir misteri tersebut. Dasar terobosannya diletakkan oleh karya Kepler dan Galileo, ilmuwan brilian yang mempelajari pergerakan benda langit.
Bahkan satu setengah abad sebelum Hukum Gravitasi Universal Newton, astronom Polandia Copernicus percaya bahwa gaya tarik-menarik adalah “... tidak lebih dari keinginan alami yang dianugerahkan oleh bapak Alam Semesta kepada semua partikel, yaitu untuk bersatu menjadi satu kesatuan yang sama, membentuk benda bulat.” Descartes menganggap ketertarikan sebagai konsekuensi dari gangguan di dunia eter. Filsuf dan ilmuwan Yunani Aristoteles yakin bahwa massa mempengaruhi kecepatan jatuhnya benda. Dan hanya Galileo Galilei pada akhir abad ke-16 yang membuktikan bahwa hal ini tidak benar: jika tidak ada hambatan udara, semua benda mengalami percepatan yang sama.
Bertentangan dengan legenda populer tentang kepala dan apel, Newton memerlukan waktu lebih dari dua puluh tahun untuk memahami sifat gravitasi. Hukum gravitasinya adalah salah satu penemuan ilmiah paling signifikan sepanjang masa. Ini bersifat universal dan memungkinkan Anda menghitung lintasan benda langit dan secara akurat menggambarkan perilaku benda-benda di sekitar kita. Teori gravitasi klasik meletakkan dasar-dasar mekanika angkasa. Tiga hukum Newton memberi para ilmuwan kesempatan untuk menemukan planet baru secara harfiah “di ujung pena mereka”; pada akhirnya, berkat hukum tersebut, manusia mampu mengatasi gravitasi bumi dan terbang ke luar angkasa. Mereka membawa landasan ilmiah yang ketat pada konsep filosofis tentang kesatuan material alam semesta, di mana semua fenomena alam saling berhubungan dan diatur oleh aturan fisika umum.
Newton tidak hanya menerbitkan rumus yang memungkinkan seseorang menghitung gaya yang menarik benda satu sama lain, ia juga menciptakan model lengkap, yang juga mencakup analisis matematis. Kesimpulan teoretis ini telah berulang kali dikonfirmasi dalam praktik, termasuk dengan menggunakan metode paling modern.
Dalam teori Newton, setiap benda material menghasilkan medan tarik menarik yang disebut gravitasi. Selain itu, gaya sebanding dengan massa kedua benda dan berbanding terbalik dengan jarak antara keduanya:
F = (G m1 m2)/r2
G adalah konstanta gravitasi, yang setara dengan 6,67 × 10−11 m³/(kg s²). Henry Cavendish adalah orang pertama yang menghitungnya pada tahun 1798.
Dalam kehidupan sehari-hari dan dalam disiplin ilmu terapan, gaya yang digunakan bumi untuk menarik suatu benda disebut sebagai beratnya. Gaya tarik-menarik antara dua benda material di alam semesta adalah apa yang dimaksud dengan gravitasi secara sederhana.
Gaya gravitasi adalah yang terlemah dari empat interaksi fundamental fisika, namun karena sifat-sifatnya ia mampu mengatur pergerakan sistem bintang dan galaksi:
- Daya tarik bekerja pada jarak berapa pun, inilah perbedaan utama antara gravitasi dan interaksi nuklir kuat dan lemah. Dengan bertambahnya jarak, pengaruhnya berkurang, tetapi tidak pernah sama dengan nol, sehingga kita dapat mengatakan bahwa bahkan dua atom yang terletak di ujung galaksi yang berbeda pun mempunyai pengaruh timbal balik. Itu sangat kecil;
- Gravitasi bersifat universal. Medan tarik-menarik melekat pada benda material mana pun. Para ilmuwan belum menemukan objek di planet kita atau di luar angkasa yang tidak ikut serta dalam interaksi semacam ini, sehingga peran gravitasi dalam kehidupan Alam Semesta sangatlah besar. Hal ini membedakan gravitasi dari interaksi elektromagnetik, yang pengaruhnya terhadap proses kosmik minimal, karena di alam sebagian besar benda netral secara listrik. Gaya gravitasi tidak dapat dibatasi atau dilindungi;
- Gravitasi tidak hanya mempengaruhi materi, tetapi juga energi. Baginya, komposisi kimia suatu benda tidak penting, yang penting hanyalah massanya.
Dengan menggunakan rumus Newton, gaya tarik menarik dapat dengan mudah dihitung. Misalnya, gravitasi di Bulan beberapa kali lebih kecil dibandingkan di Bumi, karena satelit kita memiliki massa yang relatif kecil. Tapi itu cukup untuk membentuk pasang surut yang teratur di Samudra Dunia. Di Bumi, percepatan gravitasi kira-kira 9,81 m/s2. Apalagi di kutub sedikit lebih besar dibandingkan di ekuator.
Meskipun hukum Newton sangat penting bagi pengembangan ilmu pengetahuan lebih lanjut, hukum Newton memiliki sejumlah kelemahan yang menghantui para peneliti. Tidak jelas bagaimana gravitasi bekerja melalui ruang yang benar-benar kosong dalam jarak yang sangat jauh, dan dengan kecepatan yang tidak dapat dipahami. Selain itu, secara bertahap mulai mengumpulkan data yang bertentangan dengan hukum Newton: misalnya paradoks gravitasi atau perpindahan perihelion Merkurius. Menjadi jelas bahwa teori gravitasi universal memerlukan perbaikan. Kehormatan ini jatuh ke tangan fisikawan brilian Jerman Albert Einstein.
Ketertarikan dan teori relativitas
Penolakan Newton untuk membahas sifat gravitasi (“Saya tidak menemukan hipotesis”) jelas merupakan kelemahan konsepnya. Tidak mengherankan jika banyak teori gravitasi bermunculan pada tahun-tahun berikutnya.
Kebanyakan dari mereka termasuk dalam apa yang disebut model hidrodinamik, yang mencoba membuktikan terjadinya gravitasi melalui interaksi mekanis benda-benda material dengan zat antara yang memiliki sifat tertentu. Para peneliti menyebutnya secara berbeda: “vakum”, “eter”, “aliran graviton”, dll. Dalam hal ini, gaya tarik-menarik antar benda muncul sebagai akibat dari perubahan zat ini, ketika diserap oleh benda atau aliran terlindung. Pada kenyataannya, semua teori tersebut memiliki satu kelemahan serius: dengan memprediksi secara akurat ketergantungan gaya gravitasi pada jarak, teori tersebut seharusnya menyebabkan perlambatan benda yang bergerak relatif terhadap "eter" atau "aliran gravitasi".
Einstein mendekati masalah ini dari sudut pandang yang berbeda. Dalam teori relativitas umum (GTR), gravitasi dipandang bukan sebagai interaksi gaya, tetapi sebagai properti ruang-waktu itu sendiri. Benda apa pun yang bermassa menyebabkannya membengkok, sehingga menimbulkan gaya tarik menarik. Dalam hal ini, gravitasi adalah efek geometris yang dianggap dalam kerangka geometri non-Euclidean.
Sederhananya, kontinum ruang-waktu mempengaruhi materi, menyebabkan pergerakannya. Dan dia, pada gilirannya, memengaruhi ruang, “memberitahunya” cara membengkokkannya.
Gaya tarik-menarik juga bekerja dalam mikrokosmos, tetapi pada tingkat partikel elementer, pengaruhnya, dibandingkan dengan interaksi elektrostatis, dapat diabaikan. Fisikawan percaya bahwa interaksi gravitasi tidak kalah dengan interaksi lainnya pada saat-saat pertama (10 -43 detik) setelah Big Bang.
Saat ini, konsep gravitasi yang dikemukakan dalam teori relativitas umum merupakan hipotesis kerja utama yang diterima oleh sebagian besar komunitas ilmiah dan dikonfirmasi oleh hasil berbagai eksperimen.
Einstein dalam karyanya meramalkan dampak menakjubkan dari gaya gravitasi, yang sebagian besar telah dikonfirmasi. Misalnya saja kemampuan benda masif untuk membelokkan sinar cahaya bahkan memperlambat aliran waktu. Fenomena terakhir ini harus diperhitungkan ketika mengoperasikan sistem navigasi satelit global seperti GLONASS dan GPS, jika tidak, dalam beberapa hari kesalahannya akan mencapai puluhan kilometer.
Selain itu, konsekuensi dari teori Einstein adalah apa yang disebut efek halus gravitasi, seperti medan gravimagnetik dan tarikan kerangka acuan inersia (juga dikenal sebagai efek Lense-Thirring). Manifestasi gravitasi ini sangat lemah sehingga tidak dapat dideteksi dalam waktu lama. Baru pada tahun 2005, berkat misi unik NASA Gravity Probe B, efek Lense-Thirring dikonfirmasi.
Radiasi gravitasi atau penemuan paling mendasar beberapa tahun terakhir
Gelombang gravitasi adalah getaran struktur ruang-waktu geometris yang merambat dengan kecepatan cahaya. Keberadaan fenomena ini juga telah diprediksi oleh Einstein dalam Relativitas Umum, namun karena lemahnya gaya gravitasi, besarnya sangat kecil sehingga tidak dapat dideteksi dalam waktu yang lama. Hanya bukti tidak langsung yang mendukung keberadaan radiasi.
Gelombang serupa dihasilkan oleh benda material apa pun yang bergerak dengan percepatan asimetris. Para ilmuwan menggambarkannya sebagai “riak dalam ruang-waktu”. Sumber radiasi yang paling kuat adalah tabrakan galaksi dan runtuhnya sistem yang terdiri dari dua objek. Contoh khas dari kasus terakhir adalah penggabungan lubang hitam atau bintang neutron. Selama proses tersebut, radiasi gravitasi dapat mentransfer lebih dari 50% total massa sistem.
Gelombang gravitasi pertama kali ditemukan pada tahun 2015 oleh dua observatorium LIGO. Hampir seketika, peristiwa ini mendapat status penemuan terbesar dalam fisika dalam beberapa dekade terakhir. Pada tahun 2017, ia dianugerahi Hadiah Nobel. Setelah itu, para ilmuwan berhasil mendeteksi radiasi gravitasi beberapa kali lagi.
Kembali ke tahun 70-an abad terakhir - jauh sebelum konfirmasi eksperimental - para ilmuwan mengusulkan penggunaan radiasi gravitasi untuk komunikasi jarak jauh. Keunggulannya yang tidak diragukan lagi adalah kemampuannya yang tinggi untuk melewati zat apa pun tanpa terserap. Namun saat ini hal ini hampir tidak mungkin dilakukan, karena terdapat kesulitan yang sangat besar dalam menghasilkan dan menerima gelombang-gelombang ini. Dan kita masih belum mempunyai cukup pengetahuan nyata tentang sifat gravitasi.
Saat ini, beberapa instalasi yang mirip dengan LIGO beroperasi di berbagai negara di dunia dan yang baru sedang dibangun. Kemungkinan besar kita akan mempelajari lebih lanjut tentang radiasi gravitasi dalam waktu dekat.
Teori alternatif gravitasi universal dan alasan penciptaannya
Saat ini, konsep gravitasi yang dominan adalah relativitas umum. Seluruh rangkaian data eksperimen dan observasi yang ada konsisten dengannya. Pada saat yang sama, ia memiliki banyak kelemahan dan isu kontroversial, sehingga upaya untuk menciptakan model baru yang menjelaskan sifat gravitasi tidak berhenti.
Semua teori gravitasi universal yang dikembangkan hingga saat ini dapat dibagi menjadi beberapa kelompok utama:
- standar;
- alternatif;
- kuantum;
- teori medan terpadu.
Upaya untuk menciptakan konsep baru tentang gravitasi universal dilakukan pada abad ke-19. Berbagai penulis memasukkan di dalamnya teori eter atau teori sel darah cahaya. Namun kemunculan Relativitas Umum mengakhiri penelitian ini. Setelah dipublikasikan, tujuan para ilmuwan berubah - sekarang upaya mereka ditujukan untuk menyempurnakan model Einstein, termasuk fenomena alam baru di dalamnya: putaran partikel, perluasan Alam Semesta, dll.
Pada awal 1980-an, fisikawan secara eksperimental menolak semua konsep kecuali konsep yang memasukkan relativitas umum sebagai bagian integral. Pada saat ini, “teori string” mulai populer dan terlihat sangat menjanjikan. Namun hipotesis ini belum pernah dikonfirmasi secara eksperimental. Selama beberapa dekade terakhir, ilmu pengetahuan telah mencapai tingkat yang signifikan dan mengumpulkan sejumlah besar data empiris. Saat ini, upaya untuk menciptakan teori gravitasi alternatif terutama diilhami oleh penelitian kosmologis yang berkaitan dengan konsep seperti “materi gelap”, “inflasi”, “energi gelap”.
Salah satu tugas utama fisika modern adalah penyatuan dua arah fundamental: teori kuantum dan relativitas umum. Para ilmuwan mencoba menghubungkan ketertarikan dengan jenis interaksi lain, sehingga menciptakan “teori segalanya”. Inilah yang dilakukan gravitasi kuantum - cabang fisika yang mencoba memberikan deskripsi kuantum tentang interaksi gravitasi. Cabang dari arah ini adalah teori loop gravitasi.
Meskipun telah dilakukan upaya aktif dan bertahun-tahun, tujuan ini belum tercapai. Dan masalahnya bukan pada kompleksitas masalah ini: hanya saja teori kuantum dan relativitas umum didasarkan pada paradigma yang sama sekali berbeda. Mekanika kuantum berkaitan dengan sistem fisik yang beroperasi dengan latar belakang ruang-waktu biasa. Dan dalam teori relativitas, ruang-waktu sendiri merupakan komponen dinamis, bergantung pada parameter sistem klasik yang berada di dalamnya.
Selain hipotesis ilmiah tentang gravitasi universal, terdapat juga teori yang sangat jauh dari fisika modern. Sayangnya, dalam beberapa tahun terakhir, “karya” semacam itu membanjiri Internet dan rak-rak toko buku. Beberapa penulis karya semacam itu umumnya memberi tahu pembaca bahwa gravitasi tidak ada, dan hukum Newton dan Einstein hanyalah fiksi dan tipuan.
Contohnya adalah karya “ilmuwan” Nikolai Levashov, yang mengklaim bahwa Newton tidak menemukan hukum gravitasi universal, dan hanya planet dan satelit kita, Bulan, yang memiliki gaya gravitasi di tata surya. “Ilmuwan Rusia” ini memberikan bukti yang agak aneh. Salah satunya adalah penerbangan wahana Amerika NEAR Shoemaker ke asteroid Eros yang terjadi pada tahun 2000. Levashov menganggap kurangnya daya tarik antara wahana dan benda angkasa sebagai bukti kepalsuan karya Newton dan konspirasi fisikawan yang menyembunyikan kebenaran tentang gravitasi dari manusia.
Faktanya, pesawat ruang angkasa tersebut berhasil menyelesaikan misinya: pertama memasuki orbit asteroid, dan kemudian melakukan pendaratan lunak di permukaannya.
Gravitasi buatan dan mengapa diperlukan
Ada dua konsep yang terkait dengan gravitasi yang, meskipun berstatus teoritis saat ini, sudah diketahui masyarakat umum. Ini adalah antigravitasi dan gravitasi buatan.
Antigravitasi adalah proses melawan gaya tarik-menarik, yang dapat menguranginya secara signifikan atau bahkan menggantikannya dengan gaya tolak-menolak. Menguasai teknologi tersebut akan membawa pada revolusi nyata dalam transportasi, penerbangan, eksplorasi ruang angkasa dan secara radikal akan mengubah seluruh hidup kita. Namun saat ini, kemungkinan antigravitasi bahkan belum memiliki konfirmasi teoritis. Selain itu, berdasarkan relativitas umum, fenomena seperti itu sama sekali tidak mungkin terjadi, karena tidak mungkin ada massa negatif di Alam Semesta kita. Ada kemungkinan di masa depan kita akan belajar lebih banyak tentang gravitasi dan belajar membuat pesawat terbang berdasarkan prinsip ini.
Gravitasi buatan adalah perubahan gaya gravitasi yang ada yang dilakukan oleh manusia. Saat ini kita tidak terlalu membutuhkan teknologi seperti itu, namun situasinya pasti akan berubah setelah dimulainya perjalanan ruang angkasa jangka panjang. Dan intinya ada pada fisiologi kita. Tubuh manusia, yang “terbiasa” selama jutaan tahun evolusi dengan gravitasi bumi yang konstan, merasakan dampak berkurangnya gravitasi dengan sangat negatif. Tinggal dalam waktu lama bahkan dalam kondisi gravitasi bulan (enam kali lebih lemah dari gravitasi Bumi) dapat menimbulkan konsekuensi yang mengerikan. Ilusi ketertarikan dapat diciptakan dengan menggunakan kekuatan fisik lain, seperti inersia. Namun, pilihan seperti itu rumit dan mahal. Saat ini, gravitasi buatan bahkan tidak memiliki pembenaran teoretis, jelas bahwa kemungkinan penerapan praktisnya masih jauh di masa depan.
Gravitasi adalah konsep yang diketahui semua orang sejak sekolah. Tampaknya para ilmuwan seharusnya menyelidiki fenomena ini secara menyeluruh! Namun gravitasi tetap menjadi misteri terdalam bagi sains modern. Dan ini bisa disebut sebagai contoh yang sangat baik tentang betapa terbatasnya pengetahuan manusia tentang dunia kita yang besar dan menakjubkan.
Jika Anda memiliki pertanyaan, tinggalkan di komentar di bawah artikel. Kami atau pengunjung kami akan dengan senang hati menjawabnya
Di alam, terdapat berbagai kekuatan yang menjadi ciri interaksi benda. Mari kita perhatikan gaya-gaya yang terjadi dalam mekanika.
Gaya gravitasi. Mungkin gaya pertama yang keberadaannya disadari manusia adalah gaya gravitasi yang bekerja pada benda-benda di Bumi.
Dan butuh waktu berabad-abad bagi orang untuk memahami bahwa gaya gravitasi bekerja di antara benda apa pun. Dan butuh waktu berabad-abad bagi orang untuk memahami bahwa gaya gravitasi bekerja di antara benda apa pun. Fisikawan Inggris Newton adalah orang pertama yang memahami fakta ini. Menganalisis hukum yang mengatur gerak planet (hukum Kepler), ia sampai pada kesimpulan bahwa hukum gerak planet yang diamati hanya dapat dipenuhi jika terdapat gaya tarik menarik di antara keduanya, berbanding lurus dengan massanya dan berbanding terbalik dengan massanya. kuadrat jarak antara keduanya.
Newton merumuskan hukum gravitasi universal. Dua benda mana pun saling tarik menarik. Gaya tarik menarik antar titik benda diarahkan sepanjang garis lurus yang menghubungkannya, berbanding lurus dengan massa keduanya dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara keduanya:
Dalam hal ini, benda titik dipahami sebagai benda yang dimensinya berkali-kali lebih kecil daripada jarak antara keduanya.
Gaya gravitasi universal disebut gaya gravitasi. Koefisien proporsionalitas G disebut konstanta gravitasi. Nilainya ditentukan secara eksperimental: G = 6,7 10¯¹¹ N m² / kg².
Gravitasi aksi di dekat permukaan bumi diarahkan ke pusatnya dan dihitung dengan rumus:
dimana g adalah percepatan gravitasi (g = 9,8 m/s²).
Peran gravitasi dalam kehidupan alam sangat penting, karena ukuran, bentuk dan proporsi makhluk hidup sangat bergantung pada besarnya.
Berat badan. Mari kita perhatikan apa yang terjadi jika suatu beban ditempatkan pada bidang horizontal (penopang). Pada saat pertama setelah beban diturunkan, beban mulai bergerak ke bawah di bawah pengaruh gravitasi (Gbr. 8).
Bidang membengkok dan muncul gaya elastis (reaksi tumpuan) yang diarahkan ke atas. Setelah gaya elastis (Fу) menyeimbangkan gaya gravitasi, penurunan benda dan defleksi tumpuan akan berhenti.
Lendutan tumpuan muncul di bawah aksi benda, oleh karena itu, gaya tertentu (P) bekerja pada tumpuan dari sisi benda, yang disebut berat benda (Gbr. 8, b). Menurut hukum ketiga Newton, berat suatu benda sama besarnya dengan gaya reaksi dasar dan arahnya berlawanan.
P = - Fу = Fberat.
Berat badan disebut gaya P yang digunakan suatu benda pada tumpuan horizontal yang tidak bergerak relatif terhadapnya.
Karena gaya gravitasi (berat) diterapkan pada penyangga, maka penyangga tersebut mengalami deformasi dan, karena elastisitasnya, melawan gaya gravitasi. Gaya-gaya yang berkembang dalam hal ini dari sisi tumpuan disebut gaya reaksi tumpuan, dan fenomena berkembangnya reaksi balik disebut reaksi tumpuan. Menurut hukum ketiga Newton, gaya reaksi tumpuan sama besarnya dengan gaya gravitasi benda dan berlawanan arah.
Jika seseorang yang berada pada suatu tumpuan bergerak dengan percepatan bagian-bagian tubuhnya yang diarahkan dari tumpuan tersebut, maka gaya reaksi tumpuan tersebut bertambah sebesar ma, dimana m adalah massa orang tersebut, dan merupakan percepatan yang dialami benda tersebut. sebagian tubuhnya bergerak. Efek dinamis ini dapat direkam dengan menggunakan alat pengukur regangan (dinamogram).
Berat badan tidak sama dengan berat badan. Massa suatu benda mencirikan sifat inertnya dan tidak bergantung pada gaya gravitasi atau percepatan pergerakannya.
Berat suatu benda mencirikan gaya yang bekerja pada tumpuan dan bergantung pada gaya gravitasi dan percepatan gerakan.
Misalnya, di Bulan, berat suatu benda kira-kira 6 kali lebih kecil dari berat benda di Bumi.Massa dalam kedua kasus tersebut adalah sama dan ditentukan oleh jumlah materi di dalam benda tersebut.
Dalam kehidupan sehari-hari, teknologi, dan olahraga, berat badan sering kali ditunjukkan bukan dalam satuan newton (N), tetapi dalam kilogram gaya (kgf). Peralihan dari satu satuan ke satuan lainnya dilakukan menurut rumus: 1 kgf = 9,8 N.
Ketika tumpuan dan benda tidak bergerak, maka massa benda sama dengan gravitasi benda tersebut. Ketika penyangga dan benda bergerak dengan percepatan tertentu, maka, bergantung pada arahnya, benda dapat mengalami keadaan tanpa bobot atau beban berlebih. Bila percepatannya searah dan sama dengan percepatan gravitasi, maka berat benda akan menjadi nol, sehingga timbul keadaan tanpa bobot (ISS, lift berkecepatan tinggi saat diturunkan). Ketika percepatan gerakan tumpuan berlawanan dengan percepatan jatuh bebas, seseorang mengalami kelebihan beban (peluncuran pesawat ruang angkasa berawak dari permukaan bumi, lift berkecepatan tinggi yang naik ke atas).
Gravitasi, juga dikenal sebagai daya tarik atau gravitasi, adalah sifat universal materi yang dimiliki semua benda dan benda di Alam Semesta. Inti dari gravitasi adalah semua benda material menarik semua benda lain di sekitarnya.
gravitasi bumi
Jika gravitasi adalah konsep umum dan kualitas yang dimiliki semua benda di Alam Semesta, maka gravitasi adalah kasus khusus dari fenomena komprehensif ini. Bumi menarik ke dirinya sendiri semua benda material yang berada di atasnya. Berkat ini, manusia dan hewan dapat dengan aman bergerak melintasi bumi, sungai, lautan, dan samudera dapat tetap berada di tepiannya, dan udara tidak dapat terbang melintasi ruang angkasa yang luas, tetapi membentuk atmosfer planet kita.
Sebuah pertanyaan wajar muncul: jika semua benda memiliki gravitasi, mengapa Bumi menarik manusia dan hewan ke dirinya sendiri, dan bukan sebaliknya? Pertama, kita juga menarik Bumi ke arah kita, hanya saja dibandingkan gaya tariknya, gravitasi kita dapat diabaikan. Kedua, gaya gravitasi bergantung langsung pada massa suatu benda: semakin kecil massa suatu benda, semakin rendah gaya gravitasinya.
Indikator kedua yang menjadi sandaran gaya tarik-menarik adalah jarak antar benda: semakin besar jaraknya, semakin kecil pengaruh gravitasinya. Berkat ini juga, planet-planet bergerak pada orbitnya dan tidak saling bertabrakan.
Patut dicatat bahwa Bumi, Bulan, Matahari, dan planet-planet lain berbentuk bulat karena gaya gravitasi. Ia bertindak searah dengan pusatnya, menarik ke arahnya zat yang membentuk “tubuh” planet ini.
medan gravitasi bumi
Medan gravitasi bumi adalah medan energi gaya yang terbentuk di sekitar planet kita akibat aksi dua gaya:
- gravitasi;
- gaya sentrifugal, yang kemunculannya disebabkan oleh perputaran bumi pada porosnya (rotasi diurnal).
Karena gravitasi dan gaya sentrifugal bekerja secara konstan, medan gravitasi merupakan fenomena konstan.
Medan tersebut sedikit dipengaruhi oleh gaya gravitasi Matahari, Bulan dan beberapa benda langit lainnya, serta massa atmosfer Bumi.
Hukum gravitasi universal dan Sir Isaac Newton
Fisikawan Inggris, Sir Isaac Newton, menurut legenda terkenal, suatu hari saat berjalan-jalan di taman pada siang hari, dia melihat Bulan di langit. Pada saat yang sama, sebuah apel jatuh dari dahannya. Newton kemudian mempelajari hukum gerak dan mengetahui bahwa sebuah apel jatuh di bawah pengaruh medan gravitasi, dan Bulan berputar dalam orbit mengelilingi Bumi.
Dan kemudian ilmuwan brilian, yang diterangi oleh wawasan, muncul dengan gagasan bahwa mungkin apel itu jatuh ke tanah, mengikuti gaya yang sama yang menyebabkan Bulan berada di orbitnya, dan tidak bergerak secara acak ke seluruh galaksi. Dari sinilah hukum gravitasi universal, yang juga dikenal sebagai Hukum Ketiga Newton, ditemukan.
Dalam bahasa rumus matematika, hukum ini terlihat seperti ini:
F=GM/H 2 ,
Di mana F- gaya gravitasi timbal balik antara dua benda;
M- massa benda pertama;
M- massa benda kedua;
D 2- jarak antara dua benda;
G- konstanta gravitasi sebesar 6,67x10 -11.
Pertama, bayangkan Bumi sebagai bola yang diam (Gbr. 3.1, a). Gaya gravitasi F antara Bumi (massa M) dan suatu benda (massa m) ditentukan dengan rumus: F=Gmm/r 2
di mana r adalah jari-jari bumi. Konstanta G dikenal sebagai konstanta gravitasi universal dan sangat kecil. Ketika r konstan, gaya F adalah konstan. M. Gaya tarik menarik benda bermassa m ke Bumi menentukan berat benda tersebut: W = mg perbandingan persamaan menghasilkan: g = const = GM/r 2.
Gaya tarik menarik suatu benda bermassa m ke bumi menyebabkan benda tersebut jatuh “ke bawah” dengan percepatan g yang konstan di semua titik A, B, C dan di semua titik di permukaan bumi (Gbr. 3.1,6).
Diagram gaya benda bebas juga menunjukkan bahwa ada gaya yang bekerja pada bumi dari suatu benda bermassa m, yang arahnya berlawanan dengan gaya yang bekerja pada benda dari Bumi. Namun, massa M bumi begitu besar sehingga percepatan “ke atas” a bumi, yang dihitung dengan rumus F = Ma, tidak signifikan dan dapat diabaikan. Bumi mempunyai bentuk selain bola: jari-jari di kutub r r lebih kecil dari jari-jari di ekuator r e Artinya gaya tarik menarik suatu benda bermassa m di kutub F p =GMm/r 2 p lebih besar dibandingkan di ekuator F e = GMm/re . Oleh karena itu, percepatan jatuh bebas g p di kutub lebih besar daripada percepatan jatuh bebas g e di ekuator. Percepatan g berubah terhadap garis lintang sesuai dengan perubahan jari-jari bumi.
Seperti yang Anda ketahui, Bumi terus bergerak. Ia berputar pada porosnya, membuat satu revolusi setiap hari, dan bergerak dalam orbit mengelilingi Matahari dengan revolusi satu tahun. Untuk mempermudah, dengan menganggap Bumi sebagai bola homogen, mari kita perhatikan pergerakan benda bermassa m di kutub A dan di ekuator C (Gbr. 3.2). Dalam satu hari, benda di titik A berputar 360° sambil tetap berada di tempatnya, sedangkan benda di titik C menempuh jarak 2l. Agar benda yang terletak di titik C dapat bergerak dalam orbit melingkar, diperlukan suatu gaya. Ini adalah gaya sentripetal, yang ditentukan dengan rumus mv 2 /r, di mana v adalah kecepatan benda dalam orbit. Gaya tarik gravitasi yang bekerja pada benda yang terletak di titik C, F = GMm/r, seharusnya:
a) memastikan pergerakan tubuh dalam lingkaran;
b) menarik tubuh ke bumi.
Jadi, F = (mv 2 /r)+mg di ekuator, dan F = mg di kutub. Artinya g berubah seiring dengan garis lintang seiring dengan perubahan jari-jari orbit dari r di titik C menjadi nol di titik A.
Menarik untuk dibayangkan apa yang terjadi jika kecepatan rotasi bumi meningkat sedemikian rupa sehingga gaya sentripetal yang bekerja pada benda di ekuator menjadi sama dengan gaya gravitasi, yaitu mv 2 /r = F = GMm/r 2. Gaya gravitasi total akan digunakan semata-mata untuk menjaga benda di titik C tetap berada dalam orbit melingkar, dan tidak akan ada lagi gaya yang bekerja di permukaan bumi. Peningkatan lebih lanjut dalam kecepatan rotasi bumi akan memungkinkan benda tersebut “melayang” ke luar angkasa. Pada saat yang sama, jika sebuah pesawat ruang angkasa yang membawa astronot diluncurkan ke ketinggian R di atas pusat bumi dengan kecepatan v sehingga persamaan mv*/R=F = GMm/R 2 terpenuhi, maka pesawat ruang angkasa tersebut akan berputar mengelilingi bumi dalam kondisi tanpa bobot.
Pengukuran percepatan gravitasi g yang akurat menunjukkan bahwa g bervariasi menurut garis lintang, seperti yang ditunjukkan pada Tabel 3.1. Oleh karena itu, berat suatu benda tertentu di atas permukaan bumi berubah dari maksimum pada garis lintang 90° menjadi minimum pada garis lintang 0°.
Pada tingkat latihan ini, perubahan kecil pada percepatan g biasanya diabaikan dan digunakan nilai rata-rata 9,81 m-s 2. Untuk menyederhanakan perhitungan, percepatan g sering diambil sebagai bilangan bulat terdekat, yaitu 10 m-s - 2, dan dengan demikian gaya tarik-menarik yang bekerja dari Bumi pada benda bermassa 1 kg, yaitu berat, diambil sebagai 10 N. Kebanyakan komisi ujian menyarankan menggunakan g=10 m-s - 2 atau 10 N-kg -1 bagi peserta ujian untuk menyederhanakan perhitungan.
Bukan rahasia lagi bahwa hukum gravitasi universal ditemukan oleh ilmuwan besar Inggris Isaac Newton, yang menurut legenda, sedang berjalan-jalan di taman malam dan memikirkan masalah-masalah fisika. Pada saat itu, sebuah apel jatuh dari pohonnya (menurut satu versi, tepat di kepala fisikawan, menurut versi lain, apel itu jatuh begitu saja), yang kemudian menjadi apel Newton yang terkenal, karena membawa ilmuwan tersebut pada sebuah wawasan, sebuah eureka. Apel yang jatuh di kepala Newton menginspirasinya untuk menemukan hukum gravitasi universal, karena Bulan di langit malam tetap tidak bergerak, namun apel tersebut jatuh, mungkin ilmuwan mengira ada gaya yang bekerja pada Bulan (menyebabkannya berputar di orbit), begitu juga pada apel, menyebabkannya jatuh ke tanah.
Nah, menurut beberapa sejarawan sains, keseluruhan cerita tentang apel ini hanyalah fiksi yang indah. Sebenarnya, jatuh atau tidaknya apel itu tidak begitu penting; yang penting adalah ilmuwan tersebut benar-benar menemukan dan merumuskan hukum gravitasi universal, yang kini menjadi salah satu landasan fisika dan astronomi.
Tentu saja, jauh sebelum Newton, orang mengamati benda-benda yang jatuh ke tanah dan bintang-bintang di langit, namun sebelum dia, mereka percaya bahwa ada dua jenis gravitasi: terestrial (bertindak secara eksklusif di dalam Bumi, menyebabkan benda-benda jatuh) dan surgawi ( bertindak pada bintang dan bulan). Newton adalah orang pertama yang menggabungkan kedua jenis gravitasi ini di kepalanya, orang pertama yang memahami bahwa hanya ada satu gravitasi dan aksinya dapat dijelaskan dengan hukum fisika universal.
Definisi hukum gravitasi universal
Menurut hukum ini, semua benda material saling tarik menarik, dan gaya tarik menarik tidak bergantung pada sifat fisik atau kimia benda tersebut. Itu tergantung, jika semuanya disederhanakan semaksimal mungkin, hanya pada berat benda dan jarak di antara mereka. Anda juga perlu memperhitungkan fakta bahwa semua benda di Bumi dipengaruhi oleh gaya gravitasi planet kita itu sendiri, yang disebut gravitasi (dari bahasa Latin kata “gravitas” diterjemahkan sebagai berat).
Sekarang mari kita coba merumuskan dan menuliskan hukum gravitasi universal sesingkat mungkin: gaya tarik menarik antara dua benda bermassa m1 dan m2 serta dipisahkan oleh jarak R berbanding lurus dengan kedua massa tersebut dan berbanding terbalik dengan kuadrat dari jarak di antara mereka.
Rumus hukum gravitasi universal
Di bawah ini kami sajikan untuk perhatian Anda rumus hukum gravitasi universal.
G dalam rumus ini adalah konstanta gravitasi, sama dengan 6,67408(31) · 10 −11, ini adalah besarnya dampak gaya gravitasi planet kita terhadap benda material apa pun.
Hukum gravitasi universal dan benda tanpa bobot
Hukum gravitasi universal yang ditemukan oleh Newton, serta peralatan matematika yang menyertainya, kemudian menjadi dasar mekanika langit dan astronomi, karena dengan bantuannya dimungkinkan untuk menjelaskan sifat gerak benda langit, serta fenomenanya. tanpa bobot. Berada di luar angkasa pada jarak yang cukup jauh dari gaya tarik-menarik dan gravitasi suatu benda besar seperti planet, benda material apa pun (misalnya, pesawat ruang angkasa dengan astronot di dalamnya) akan berada dalam keadaan tidak berbobot, karena gaya tersebut pengaruh gravitasi bumi (G dalam rumus hukum gravitasi) atau planet lain tidak lagi mempengaruhinya.
Hukum gravitasi universal, video
Dan sebagai penutup, video instruktif tentang penemuan hukum gravitasi universal.
