Hiểu Luật Vạn vật hấp dẫn
Nhờ các nghiên cứu của các nhà khoa học, người ta đã có thể hiểu được các hiện tượng của tự nhiên, và tạo ra những tiến bộ công nghệ trong những năm qua. Newton, dựa trên các nghiên cứu của Galileo về các quy luật chi phối chuyển động của các viên đạn trên Trái đất, và các nghiên cứu của Kepler về quy luật chuyển động của các hành tinh trong hệ Mặt trời, kết luận rằng lực cần thiết để giữ một hành tinh trên quỹ đạo phụ thuộc vào khối lượng và khoảng cách ly. Định luật vạn vật hấp dẫn, được xuất bản năm 1687 bởi Isaac Newton, cho phép chúng ta xác định lực mà hai vật có khối lượng bị hút vào nhau, rất hữu ích trong việc nghiên cứu quỹ đạo của sao chổi, khám phá các hành tinh khác, thủy triều, chuyển động của vệ tinh, trong số các hiện tượng khác.
Các khái niệm cơ bản để hiểu "Luật vạn vật hấp dẫn"
Mời các bạn xem bài viết Newton-Định luật-dễ hiểu
Lực hướng tâm:
Lực ép thiết bị di động uốn cong quỹ đạo của nó làm cho nó mô tả một chuyển động tròn. Lực hướng tâm tác dụng lên vật hướng vào tâm của đường tròn. Cơ thể chịu một gia tốc hướng tâm vì vận tốc, có môđun không đổi, thay đổi hướng khi nó chuyển động. Xem hình 1.
Lực hướng tâm có thể được tính bằng cách sử dụng định luật thứ hai của Newton [1], trong đó gia tốc hướng tâm có thể được biểu thị dưới dạng hàm của vận tốc góc, vận tốc thẳng hoặc là hàm của chu kỳ của vật trong chuyển động tròn. Xem hình 2.
[adinserter name = ”Khối 1 ″]
Định luật Kepler
Nhà thiên văn học Johannes Kepler đã giải thích sự chuyển động của các hành tinh trong hệ mặt trời bằng ba định luật: định luật quỹ đạo, diện tích và chu kỳ. [hai].
Định luật đầu tiên của Kepler, hoặc định luật quỹ đạo:
Tất cả các hành tinh trong hệ mặt trời đều quay quanh mặt trời theo quỹ đạo hình elip. Mặt trời nằm ở một trong hai tiêu điểm của hình elip. Xem hình 3.
Định luật thứ hai của Kepler, hoặc luật của các lĩnh vực:
Bán kính nối một hành tinh với mặt trời mô tả các khu vực bằng nhau trong thời gian bằng nhau. Đường (tưởng tượng) đi từ mặt trời đến một hành tinh, quét các khu vực bằng nhau trong thời gian bằng nhau; nghĩa là tốc độ thay đổi diện tích là không đổi. Xem hình 4.
Định luật thứ ba của Kepler, hoặc định luật về thời kỳ:
Đối với tất cả các hành tinh, mối quan hệ giữa hình lập phương bán kính quỹ đạo và bình phương chu kỳ của nó là không đổi. Trục chính của hình elip được chia theo chu kỳ (thời gian để tạo ra một vòng quay hoàn toàn), là một hằng số giống nhau đối với các hành tinh khác nhau. Động năng của một hành tinh giảm theo tỷ lệ nghịch với khoảng cách của nó với mặt trời. Xem hình 5.
Luật vạn vật hấp dẫn
Định luật vạn vật hấp dẫn, được xuất bản năm 1687 bởi Isaac Newton, cho phép chúng ta xác định lực mà hai vật có khối lượng bị hút vào nhau. Newton kết luận rằng:
- Các cơ thể bị thu hút bởi thực tế đơn thuần là có khối lượng.
- Lực hút giữa các thiên thể chỉ đáng chú ý khi ít nhất một trong các thiên thể tương tác có kích thước cực lớn, giống như một hành tinh.
- Có một lực tương tác ở khoảng cách xa, do đó, không cần thiết các cơ thể tiếp xúc để có lực hấp dẫn tác động.
- Tương tác hấp dẫn giữa hai vật luôn biểu hiện thành một cặp lực có phương và môđun bằng nhau, nhưng ngược hướng.
Tuyên bố về Luật vạn vật hấp dẫn
Lực hút giữa hai khối lượng tỷ lệ thuận với tích của các khối lượng và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách ngăn cách chúng. Lực hút có phương trùng với đường hợp với chúng [3]. Xem hình 6.
Hằng số tỉ lệ G giữa các đại lượng được gọi là hằng số vạn vật hấp dẫn. Trong hệ thống quốc tế, nó tương đương với:
Bài tập 1. Xác định lực mà các vật ở hình 7 bị hút trong chân không.
Giải pháp
Trong hình 8 có hai vật có khối lượng m1 = 1000 kg và m2 = 80 kg, cách nhau 2m. Áp dụng định luật vạn vật hấp dẫn, lực hút giữa chúng có thể được xác định, như trong hình 8.
Suy giảm của Luật vạn vật hấp dẫn
Bắt đầu từ định luật thứ ba của Kepler liên hệ bán kính với chu kỳ của một hành tinh quay quanh, gia tốc hướng tâm mà một hành tinh phải trải qua tỷ lệ nghịch với bình phương bán kính quỹ đạo của nó. Định luật thứ hai của Newton [] được sử dụng để tìm lực hướng tâm tác dụng lên hành tinh, xem xét gia tốc hướng tâm mà nó trải qua, được biểu thị dưới dạng một hàm của chu kỳ. Xem hình 9.
Giá trị của hằng số vạn vật hấp dẫn được Henry Cavendish xác định nhiều năm sau khi định luật hấp dẫn của Newton được thiết lập. Hằng số G được coi là "phổ quát" vì giá trị của nó là như nhau trong bất kỳ phần nào của vũ trụ đã biết, và nó không phụ thuộc vào môi trường mà các đối tượng được tìm thấy.
Bài tập 2. Xác định khối lượng của hành tinh Trái đất, biết bán kính là 6380 km
Giải pháp
Các vật thể nằm trên bề mặt trái đất bị hút về phía tâm của nó, lực này được gọi là trọng lượng của một vật thể (lực mà Trái đất thu hút nó). Mặt khác, định luật thứ hai của Newton có thể được áp dụng để biểu thị trọng lượng của cơ thể như một hàm của lực hấp dẫn, do đó có thể thu được khối lượng của Trái đất, biết bán kính của nó. Xem hình 11.
Áp dụng định luật vạn vật hấp dẫn
Định luật vạn vật hấp dẫn rất hữu ích để giải thích quỹ đạo của sao chổi, khám phá các hành tinh khác, thủy triều, chuyển động của vệ tinh, trong số các hiện tượng khác.
Các định luật của Newton được thực hiện một cách chính xác, khi người ta quan sát thấy một số ngôi sao không tuân theo điều đó là do một số ngôi sao không nhìn thấy khác làm nhiễu loạn chuyển động, do đó sự tồn tại của các hành tinh đã được phát hiện từ sự nhiễu loạn mà chúng tạo ra trong quỹ đạo của các hành tinh đã biết.
Vệ tinh:
Vệ tinh là một vật thể quay xung quanh một vật thể khác có kích thước lớn hơn và trường hấp dẫn lớn hơn, ví dụ, bạn có mặt trăng, vệ tinh tự nhiên của hành tinh Trái đất. Vệ tinh chịu gia tốc hướng tâm vì nó chịu một lực hấp dẫn trong trường hấp dẫn.
Bài tập 3. Xác định tốc độ của một vệ tinh quay quanh trái đất cách tâm trái đất 6870 km. Xem hình 12
Giải pháp
Vệ tinh nhân tạo được giữ trên quỹ đạo quanh Trái đất do lực hút mà Trái đất tác dụng lên nó. Sử dụng định luật vạn vật hấp dẫn và định luật II Newton, có thể xác định được tốc độ của vệ tinh. Xem hình 13.
KẾT LUẬN
Mọi hạt vật chất đều hút bất kỳ hạt vật chất nào khác bằng một lực tỷ lệ thuận với tích của khối lượng của cả hai và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách ngăn cách chúng.
Tương tác hấp dẫn giữa hai vật luôn biểu hiện thành một cặp lực có phương và môđun bằng nhau, nhưng ngược hướng.
Định luật vạn vật hấp dẫn của Newton cho phép chúng ta xác định lực mà hai vật có khối lượng bị hút nhau, biết rằng lực hút giữa hai vật có khối lượng tỷ lệ thuận với tích của các khối lượng và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách ngăn cách chúng. .