Gravity Wyjaśniono

Przez lata ludzie wiedzieli, że kiedy obiekt jest wyrzucany prosto w górę, spada z powrotem na Ziemię. Ludzie obserwowali to zjawisko i mogli przewidzieć efekt tej siły, ale nie mieli pojęcia, jak to działa.

Od czasów starożytnych, było wiele teorii i prób wyjaśnienia tej tajemniczej siły zwanej "grawitacją". W pierwszych dniach filozofowie myśleli, że upadek obiektów w kierunku Ziemi był częścią królestwa bogów i podążał naturalnym ruchem. Na przykład, powietrze należało do nieba, poruszając się w górę, podczas gdy skały należały do Ziemi, spadając z powrotem na Ziemię.

"Poświęć chwilę, aby doświadczyć skutków grawitacji. Podnieś rękę i poczuj, jak jesteś zmuszony do upuszczenia go ponownie lub użyć piłki lub jabłka, aby rzuci

ć prosto w górę"

W IV wieku Arystoteles jako pierwszy podjął próbę ilościowego opisu grawitacji. Napisał, że obiekt spadł ze stałą prędkością, osiągniętą wkrótce po uwolnieniu, a cięższe rzeczy spadły szybciej proporcjonalnie do ich masy. Chociaż pomysł ten był błędny, utknął na myśli aż do XVI wieku.

W XVII wieku włoski astronom Galileo Galilei przedstawił pierwsze naukowe wyjaśnienie grawitacji, przeprowadzając eksperymenty i kwestionując ideę grawitacji zaproponowaną przez Arystotelesa.

Poprzez swoje eksperymenty, Galileo zdał sobie sprawę, że spadające ciało podniósł prędkość w stałym tempie, innymi słowy, miał stałe przyspieszenie. Zauważył również, że jeśli można zaniedbać opór powietrza, wszystkie ciała spadają z tym samym przyspieszeniem, ciała o różnych ciężarach spadły razem docierają do ziemi jednocześnie.

Mówi się, że Galileo upuścił kulki o tym samym kształcie. Mimo to, inna waga od krzywej Wieży Pizy, aby wykazać, że obiekty spadły z tym samym przyspieszeniem, udowadniając jego przewidywania prawo, podczas gdy w tym samym czasie obalając Arystotelesa teorii grawitacji (która stanowi, że obiekty spadają z prędkością proporcjonalną do ich masy).

Jest to symulacja 3D, proszę użyć myszy lub Keybaord poruszać się i bawić się z tej symulacji.

Kliknij tutaj, aby wyświetlić w pełnej stronie

"Pod koniec ostatniego spaceru po Księżycu Apollo 15, komandor David Scott (na zdjęciu poniżej) przeprowadził pokaz na żywo dla kamer telewizyjnych. Wytrzymywali młot geologiczny i pióro i upuścili je w tym samym czasie. Ponieważ były one zasadniczo w próżni, nie było oporu powietrza, a pióro spadło w takim samym tempie jak młot, jak Galileo stwierdził setki lat wcześniej – wszystkie obiekty uwalniane razem spadają w tym samym tempie, niezależnie od masy. Kontroler misji Joe Allen opisał demonstrację w "Apollo 15 Preliminary Science Report"

https://nssdc.gs

fc.nasa.gov/planetary/lunar/apollo_15_feather_drop.html

Galileo przeprowadził również kolejny eksperyment, aby udowodnić, że grawitacja przyspiesza obiekty w stałym tempie, gdy spadała. Jednak, był jeden problem w testowaniu tej hipotezy. Galileo nie mógł obserwować ruchu swobodnego spadania obiektu w pionie. W tym czasie technologia nie mogła rejestrować tak wysokich prędkości (brak zegara lub timera, który mógłby mierzyć wysoką prędkość). W rezultacie Galileo próbował spowolnić ruch, zastępując spadający obiekt kulą zwijającą się pochyłą rampę. Ponieważ swobodne spadanie jest równoznaczne z całkowicie pionową rampą, zakładał, że piłka tocząca się pochyłej rampie przyspieszy w taki sam sposób, jak spadająca kula.

W ramach tego eksperymentu Galileo doszedł do wniosku, że jeśli obiekt jest zwolniony z odpoczynku i zyskuje prędkość w stałym tempie, wówczas całkowita odległość przebyta przez obiekt jest proporcjonalna do czasu do kwadratu potrzebnego do tego przejazdu. Na przykład, jeśli obiekt zwolniony z odpoczynku przemieszcza się przez dwie sekundy, będzie podróżować 2 x 2 lub 4 razy tak daleko, jak gdyby podróżował tylko przez jedną sekundę po zwolnieniu z odpoczynku.

Poniższy film odtwarza powyższy eksperyment przeprowadzony przez Galileo.

Wierzę, że lepiej rozumiemy, jak rzeczy poruszają się pod wpływem grawitacji tutaj na Ziemi. Ale jak rozszerzyć to zrozumienie na ruch innych obiektów poza ziemią? Na przykład, w jaki sposób Księżyc obraca się wokół Ziemi? Dlaczego Ziemia krąży wokół Słońca? Jak gwiazdy poruszają się po wszechświecie?

W XVII wieku Sir Isaac Newton, matematyk i fizyk, przedstawił nowy opis grawitacji. Wierzył, że żyjemy w świecie, w którym możemy przewidzieć ruch czegokolwiek. Praca Newtona nad grawitacją jest jednym z kluczowych punktów zwrotnych w fizyce.

Ilekroć mówimy o Newtonie, pierwszą rzeczą, która przychodzi nam do głowy, jest Apple, które spadło na głowę Newtona. Ta historia nie jest do końca poprawna.
Pewnego dnia Newton usiadł myśląc w swoim ogrodzie, kiedy zauważył, że w pobliżu spadło jabłko. Nie tylko, że jabłko spadło go podekscytowany, ale że próbował iść do centrum Ziemi (prosto w dół), a nie w żadnym innym kierunku. To było istotne Moment Newton sobie sprawę, że Ziemia zwróciła jabłko do niego. Następnie zdał sobie sprawę, że każdy obiekt we wszechświecie przyciąga każdy inny obiekt proporcjonalnie do jego masy. Im większa masa obiektu, tym jego przyciąganie grawitacyjne będzie znacznie większe. Rozszerzył ten pomysł na Ziemię, przyciągając Księżyc w kierunku jego centrum. Minęło prawie 20 lat od tego dnia, aby Newton opublikował swoją pracę na temat grawitacji. Podczas gdy jabłko nie uderzyło sir Isaaca Newtona w głowę, jak sugeruje mit, upadek jednego z nich zainspirował Newtona do jednego z wielkich odkryć.

Uniwersalne prawo grawitacji Newtona stanowi, że siła (F) przyciągania między dwoma obiektami jest równa iloczynowi ich mas (m1 * m2), podzielonym przez kwadrat odległości między nimi (r). Ta formuła wskazuje również, że odległość między obiektem wzrasta; siła grawitacyjna staje się słabsza. (Zapamiętaj odwrotny kwadrat odległości między obiektami)

Może pojawić się pytanie, dlaczego Księżyc nie spada prosto na Ziemię, tak jak to zrobiło jabłko.

Wyobraź sobie, że strzelasz kulą armatnią poziomo ze szczytu góry, takiej jak Mt.Everest na Ziemi. Piłka podążała zakrzywioną trajektorią, gdy przesuwała się do przodu i była przyciągana, grawitacją, w kierunku ziemi w tym samym czasie. Wystrzelij kulę armatnią z większą energią i wylądowałaby dalej od góry, ale nadal podążała za zakrzywioną trajektorią.

Newton zaproponował, że jeśli wystrzelisz kulę armatnią z wystarczającą ilością energii, może latać wokół Ziemi i nigdy nie ląduje, ponieważ Ziemia będzie zakrzywiona pod piłką w tym samym tempie, w jakim spadła piłka. Innymi słowy, piłka byłaby teraz na orbicie wokół Ziemi.
I to właśnie dzieje się z Księżycem – jest w swobodnym upadku wokół Ziemi, ale porusza się na tyle szybko, że powierzchnia Ziemi nigdy nie "łapie" jej. Ta sama zasada jest stosowana nawet dzisiaj do wystrzeliwania satelitów na orbicie wokół Ziemi.

Jest to symulacja 3D, proszę użyć myszy lub Keybaord poruszać się i bawić się z tej symulacji.

Kliknij tutaj, aby wyświetlić w pe

łnej stronie

Model grawitacji Newtona działał całkiem dobrze do przewidywania ruchu większości planet, a także obiektów na Ziemi. W rzeczywistości prawo grawitacyjne Newtona zostało wykorzystane do odkrycia planety Neptun. Ale jest jeden problem, że prawo grawitacji Newtown nie mógł przewidzieć ani wyjaśnić orbitę Merkurego wokół Słońca poprawnie. Orbita planety przesunęła się szybciej niż model uzyskany przy użyciu prawa grawitacji Newtona.

Inny problem w teorii Newtona opisuje grawitację jako chwilową siłę przyciągania między dwoma masywnymi obiektami. Jeśli jeden obiekt odsunął się, drugi obiekt wie o ruchu natychmiast ze względu na zmianę grawitacji, niezależnie od ich odległości.
Na przykład Ziemia krąży wokół Słońca, a odległość między nimi wynosi 91 milionów mil. Załóżmy, że nagle Słońce znika. Zgodnie z prawem grawitacji Newtona, Ziemia natychmiast odczuje skutki zniknięcia Słońca i traci swoją orbitę, a porusza się w linii prostej. To zachowanie wydaje się nierealne i nie wyjaśnione dobrze za pomocą Prawa Grawitacji Newtona.

Co ważniejsze, prawo grawitacji Newtona opisuje efekty grawitacji, ale nie wyjaśniło, jak działa grawitacja. Newton był tego świadomy i powiedział:

"G

P

rzez prawie 200 lat po tym, jak firma Netwon pracowała nad grawitacją, nie było żadnych przełomów wyjaśniających naruszenie określone w prawie grawitacji Newtona. W 1915 roku Albert Einstein, urodzony w Niemczech fizyk na nowo definiuje grawitację, proponując ogólną teorię względności. Według Einsteina grawitacja nie jest siłą taką jak opisany przez Newtona; zamiast tego zniekształcenia w czasoprzestrzy utworzone przez ogromne obiekty. To zniekształcenie jest odczuwalne jako grawitacja.

Wiem, że to mylące. Dlaczego grawitacja nie jest siłą? Co to jest czasoprzestrwowa i co oznacza zniekształcenie?

Spróbujmy zrozumieć czasoprzestrwę. Przestrzeń jest zazwyczaj definiowana w trzech wymiarach Długość (Wymiar 1), Szerokość (Wymiar 2) i Wysokość (Wymiar 3). Cała praca wykonana przez Newtona odnosiła się tylko do trzech wymiarów przestrzeni, ale Einstein wymyślił nową ideę 4 wymiaru zwanego czasem.

Dlaczego czas? Załóżmy, że zaprosisz znajomego na spotkanie na kawę. Co się stanie, jeśli wymienisz tylko miejsce na spotkanie, nie wspominając o czasie lub czasie spotkania bez wspominania o tym miejscu. W obu scenariuszach nie spotkasz się ze swoim przyjacielem, ponieważ nie ma wystarczających informacji, chyba że powiesz zarówno miejsce, jak i czas na spotkanie. Według Einsteina przestrzeń bez czasu jest bez znaczenia. Nie można opisać ruchu bez czasu, na przykład miernika na sekundę. Einstein definiuje przestrzeń i czas jako splecioną tkaninę. (Patrz poniższy szkic)

Według Einsteina, gdy duży obiekt jest umieszczony w tkaninie czasoprzestrzowej; obiekt zniekształca tkaninę, tworząc krzywiznę proporcjonalną do jej masy. Każdy inny obiekt, który dostanie się do osnowy czasoprzestrzowej masywnego obiektu, doświadczy zjawiska grawitacji. Na przykład Słońce zniekształca czasoprzestrzenie wokół niego, tworząc krzywiznę, a wszystkie inne planety obracają się wokół Słońca nie z powodu jakiejkolwiek innej siły, ale tylko z powodu krzywizny wokół niej.

Według Einsteina, obiekty poruszające się wokół krzywizny nadal poruszają się wzdłuż najprostszej możliwej linii, ale z powodu zniekształcenia w czasoprzestrości, najskalniejsza możliwa linia jest teraz wzdłuż ścieżki sferycznej.
Wyobraźmy sobie na przykład, że piłka toczy się po trampolinie, po prostu podąża za zakrętem. Z perspektywy piłki zawsze podróżował w linii prostej; to wypaczenie czasoprzestrzenie powoduje jej ugięcie.

Ponadto promienie świetlne, podczas przekraczania masywnych obiektów, takich jak Słońce, wygina się z powodu krzywizny czasoprzestrzenie. Zjawisko to nazywa się soczewkowanie grawitacyjne. To zachowanie zostało udowodnione prawo podczas zaćmienia Słońca, mierząc zginanie światła z gwiazd wokół Słońca.

Tak więc, według Einsteina, grawitacja nie jest siłą. To krzywizna w czasoprzestrości.

Mam nadzieję, że już teraz dobrze rozumiecie, czym jest grawitacja.