Kun opiskelet fysiikan koulukurssia, tärkeä aihe mekaniikan osiossa on universaalin painovoiman laki. Tässä artikkelissa tarkastelemme tarkemmin, mitä se on ja millä matemaattisella kaavalla sitä kuvataan, ja annamme myös esimerkkejä painovoimasta jokapäiväisessä ihmiselämässä ja kosmisessa mittakaavassa.
Kuka löysi painovoiman lain
Ennen kuin annat esimerkkejä painovoimasta, kuvailkaamme lyhyesti, kenen ansioista se on löydetty.
Ihmiset ovat havainneet tähtiä ja planeettoja muinaisista ajoista lähtien ja tiesivät niiden liikkuvan tiettyjä lentoratoja pitkin. Lisäksi jokainen, jolla ei ollut erityistä tietoa, ymmärsi, että riippumatta siitä, kuinka pitkälle ja korkealle hän heitti kiven tai muun esineen, se putosi aina maahan. Mutta kukaan ei edes arvannut, että maapallon ja taivaankappaleiden prosesseja ohjaa sama luonnonlaki.
Vuonna 1687 Sir Isaac Newton julkaisi tieteellisen teoksen, jossa hän esitteli ensimmäisen kerran matemaattisenyleismaailmallisen gravitaatiolain muotoilu. Newton ei tietenkään päässyt itsenäisesti tähän muotoiluun, jonka hän tunnisti henkilökohtaisesti. Hän käytti joitain aikalaistensa ideoita (esimerkiksi käänteisen suhteellisuuden olemassaolo kappaleiden välisen vetovoiman etäisyyden neliöön) sekä kertynyttä kokeellista kokemusta planeettojen liikeradoista (Keplerin kolme lait). Newtonin nerous paljastui siinä, että analysoituaan kaiken saatavilla olevan kokemuksen tiedemies pystyi muotoilemaan sen johdonmukaisen ja käytännöllisesti sovellettavan teorian muodossa.
Painovoimakaava
Universaalin gravitaatiolaki voidaan muotoilla lyhyesti seuraavasti: kaikkien universumin kappaleiden välillä on vetovoima, joka on kääntäen verrannollinen niiden massakeskipisteiden välisen etäisyyden neliöön ja suoraan verrannollinen tuloon itse kehojen massoista. Kahdelle kappaleelle, joiden massat ovat m1 ja m2, jotka ovat etäisyydellä r toisistaan, tutkittava laki kirjoitetaan seuraavasti:
F=Gm1m2/r2.
Tässä G on painovoimavakio.
Vetovoima voidaan laskea tällä kaavalla kaikissa tapauksissa, jos kappaleiden väliset etäisyydet ovat riittävän suuret niiden kokoon verrattuna. Muutoin ja myös voimakkaan gravitaatioolosuhteissa massiivisten avaruusobjektien (neutronitähdet, mustat aukot) lähellä tulisi käyttää Einsteinin kehittämää suhteellisuusteoriaa. Jälkimmäinen pitää painovoimaa aika-avaruuden vääristymän seurauksena. Newtonin klassisessa laissapainovoima on seurausta kappaleiden vuorovaikutuksesta jonkin energiakentän, kuten sähkö- tai magneettikenttien, kanssa.
Painovoiman ilmentymä: esimerkkejä jokapäiväisestä elämästä
Ensinnäkin tällaisina esimerkkeinä voimme nimetä kaikki putoavat kappaleet tietystä korkeudesta. Esimerkiksi lehti tai kuuluisa omena puusta, kiven putoaminen, sadepisarat, vuoriston maanvyörymät ja maanvyörymät. Kaikissa näissä tapauksissa kehot pyrkivät planeettamme keskipisteeseen.
Toiseksi, kun opettaja pyytää oppilaita "antamaan esimerkkejä painovoimasta", heidän tulee myös muistaa, että kaikilla kehoilla on paino. Kun puhelin on pöydällä tai kun henkilö punnitaan vaa'alla, keho painaa näissä tapauksissa tukea. Kehon paino on elävä esimerkki painovoiman ilmentymisestä, joka yhdessä tuen reaktion kanssa muodostaa toisiaan tasapainottavan voimaparin.
Jos edellisen kappaleen kaavaa käytetään maanpäällisiin olosuhteisiin (korvaa planeetan massa ja sen säde), niin saadaan seuraava lauseke:
F=mg
Se on se, jota käytetään painovoimaongelmien ratkaisemiseen. Tässä g on kiihtyvyys, joka annetaan kaikille kappaleille niiden massasta riippumatta vapaassa pudotuksessa. Jos ilmanvastusta ei olisi, niin painava kivi ja kevyt höyhen putoaisi samaan aikaan sam alta korkeudelta.
Painovoima universumissa
Kaikki tietävät, että maapallo muiden planeettojen ohella kiertää Auringon. Aurinko puolestaan ollessaan sisälläyksi Linnunradan spiraaligalaksin haaroista, pyörii satojen miljoonien tähtien kanssa keskustansa ympärillä. Myös galaksit itse lähestyvät toisiaan niin sanotuissa paikallisissa klusteissa. Jos palaamme mittakaavassa taaksepäin, meidän pitäisi muistaa satelliitit, jotka pyörivät planeettojensa ympärillä, asteroidit, jotka putoavat näille planeetoille tai lentävät ohi. Kaikki nämä tapaukset voidaan muistaa, jos opettaja kysyy oppilailta: "Anna esimerkkejä painovoimasta."
Huomaa, että viime vuosikymmeninä kysymys kosmisen mittakaavan päävoimasta on kyseenalaistettu. Paikallisessa avaruudessa se on epäilemättä painovoima. Kuitenkin, kun otetaan huomioon ongelma galaksin tasolla, toinen, toistaiseksi tuntematon voima, joka liittyy pimeään aineeseen, tulee peliin. Jälkimmäinen ilmenee antigravitaationa.
