技術

了解萬有引力定律

由於科學家的研究,多年來了解自然現象並取得了技術進步是可能的。 牛頓基於伽利略對控制射彈在地球上運動的定律的研究,以及開普勒對太陽系中行星運動的定律的研究,得出的結論是,使行星保持在軌道上所需的力取決於質量和分離距離。 艾薩克·牛頓(Isaac Newton)於1687年發布的萬有引力定律使我們能夠確定兩個質量物體被吸引的力,這在研究彗星軌道,發現其他行星,潮汐,衛星運動等現象。

了解“萬有引力法則”的基本概念

我們邀請您看這篇文章 牛頓法則易於理解

向心力:

迫使移動台彎曲其軌蹟的力使其描述為圓周運動。 向心力作用在指向圓形路徑中心的物體上。 由於恆定模量的速度會隨著運動而改變方向,因此身體會經歷向心加速度。 參見圖1。

向心力
圖1. citeia.com

可以使用牛頓第二定律[1]計算向心力,其中向心加速度可以表示為角速度,線速度的函數,也可以表示為身體在圓周運動中的周期的函數。 參見圖2。

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向心力的數學表達
圖2. citeia.com

開普勒定律

天文學家約翰尼斯·開普勒(Johannes Kepler)通過三個定律解釋了太陽系行星的運動:軌道定律,面積定律和周期定律。 [二]。

開普勒第一定律或軌道定律:

太陽系中的所有行星都在橢圓軌道上繞太陽公轉。 太陽位於橢圓的兩個焦點之一。 參見圖3。

開普勒第一定律
圖3 citeia.com

開普勒第二定律或區域定律:

將行星連接到太陽的半徑在相等的時間內描述了相等的面積。 從太陽到行星的(虛構)線在相等的時間內掃過相等的區域; 即,面積變化率是恆定的。 參見圖4。

開普勒第二定律
圖4. citeia.com

開普勒第三定律或週期定律:

對於所有行星,軌道半徑的三次方與其周期的平方之間的關係是恆定的。 橢圓的長軸經三次方除以周期(完成完整旋轉所需的時間)後,對於不同的行星而言,它的常數是相同的。 行星的動能隨著距太陽的距離的倒數而減小。 參見圖5。

開普勒第三定律
圖5 citeia.com

萬有引力定律

艾薩克·牛頓(Isaac Newton)於1687年發布的萬有引力定律使我們能夠確定兩個質量吸引物體所受的力。 牛頓得出的結論是:

  • 僅僅由於具有質量這一事實就吸引了身體。
  • 只有當至少一個相互作用的物體像行星一樣巨大時,才可以注意到物體之間的吸引力。
  • 在遠處存在相互作用,因此,不必使主體接觸以使吸引力起作用。
  • 兩個物體之間的引力相互作用始終將自身表現為方向和模量相等但方向相反的一對力。

萬有引力定律的聲明

兩個質量之間的吸引力與質量的乘積成正比,與將它們分開的距離的平方成反比。 吸引力的方向與連接它們的線重合[3]。 參見圖6。

量之間的比例常數G被稱為萬有引力常數。 在國際體系中,它等同於:

常數万有引力公式
常數万有引力公式
萬有引力定律
圖6. citeia.com

練習1.確定在真空中吸引圖7中的物體的力。

練習1-應用萬有引力定律確定真空中物體吸引的力
圖7. citeia.com

在圖8中,有兩個質量分別為m1 = 1000 kg和m2 = 80 kg的物體,它們之間的距離為2米。 應用萬有引力定律,可以確定它們之間的吸引力,如圖8所示。

練習1-有兩個質量分別為m1 = 1000 kg和m2 = 80 kg的物體,它們之間的距離為2米。 應用萬有引力定律,可以確定它們之間的吸引力
圖8. citeia.com

推論萬有引力定律

從開普勒的第三定律開始,該定律將半徑與公轉行星的周期相關聯,行星所經歷的向心加速度與公轉半徑的平方成反比。 為了找到作用在地球上的向心力,使用牛頓第二定律[],考慮到它所經歷的向心加速度,該定律是周期的函數。 參見圖9。

推導萬有引力定律
圖9. citeia.com

牛頓萬有引力定律建立多年之後,亨利·卡文迪許(Henry Cavendish)確定了萬有引力常數的值。 常數G被認為是“通用的”,因為它的值在已知宇宙的任何部分都是相同的,並且與發現對象的環境無關。

練習2.知道半徑為6380 km,確定地球的質量

練習2-確定地球的質量
圖10. citeia.com

位於地球表面的物體被吸引到其中心,這種力被稱為物體的重量(地球用來吸引物體的力)。 另一方面,牛頓第二定律可以通過將身體的重量表示為重力的函數來應用,從而可以獲得已知地球半徑的地球質量。 參見圖11。

練習2:位於地球表面的物體被吸引到其中心
圖11. citeia.com

萬有引力定律的應用

萬有引力定律可用於解釋彗星的軌道,其他行星的發現,潮汐,衛星的運動以及其他現象。

牛頓定律是完全滿足的,當觀察到某顆恆星不符合時,這是因為其他一些不可見恆星干擾了運動,因此,從它們在已知行星的軌道上產生的擾動中發現了行星的存在。

衛星:

衛星是繞另一個更大的物體和更大的引力場旋轉的物體,例如,您擁有月球,這是地球的天然衛星。 衛星會經歷向心加速度,因為它在重力場中會受到吸引力。

練習3.確定距地球中心6870公里的衛星繞地球旋轉的速度。 見圖12

練習3-確定衛星的速度
圖12 citeia.com

由於地球施加在地球上的吸引力,人造衛星一直在繞地球運行。 使用萬有引力定律和牛頓第二定律,可以確定衛星的速度。 見圖13。

練習3-使用萬有引力定律和牛頓第二定律,可以確定衛星的速度
圖13 citeia.com

結論

每個材料顆粒都以與它們的質量乘積成正比,而與將它們分開的距離的平方成反比的力吸引任何其他材料顆粒。

兩個物體之間的引力相互作用始終將自身表現為方向和模量相等但方向相反的一對力。

牛頓的萬有引力定律使我們能夠確定兩個有質量的物體相互吸引的力,因為兩個質量之間的吸引力與質量的乘積成正比,與分開的距離的平方成反比他們。

REFERENCIAS

[1] [2] [3]

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