Když NASA vysílá rakety do vesmíru, musí se potýkat s mnohem více než jen s výcvikem astronautů, s palivem a celkovým cílem mise. Astrofyzici, kteří plánují cestování vesmírem, se musí také potýkat se základními fyzikálními zákony. Hlavním z nich je zákon sira Isaaca Newtona o univerzální gravitaci.
Co je Newtonův zákon univerzální gravitace?
Newtonův zákon univerzální gravitace říká, že dvě tělesa v prostoru se navzájem táhnou silou úměrnou jejich hmotnosti a vzdálenosti mezi nimi. Pro velké objekty obíhající kolem sebe – například Měsíc a Zemi – to znamená, že na sebe ve skutečnosti působí znatelnou silou. Může se zdát, že Měsíc obíhá relativně statickou Zemi, ale ve skutečnosti Měsíc a Země rotují kolem třetího bodu mezi nimi. Tento bod se nazývá barycentrum.
Podle podmínek Newtonova zákona každý objekt ve vesmíru přitahuje každý jiný objekt měřitelnou silou (jakkoli nepatrnou). Síla je:
- Přímo úměrné součinu hmot dvou objektů
- Nepřímo úměrné druhé mocnině vzdálenosti mezi objekty
Tento princip lze vyjádřit rovnicí: F = G mM / r^2
V rámci této rovnice:
- F je velikost síly
- m je hmotnost menšího předmětu
- M je hmotnost většího objektu
- r je vzdálenost mezi těžišti objektů
- G je gravitační konstanta
Jaká je historie zákona univerzální gravitace?
Sir Isaac Newton byl prvním vědcem, který konkrétně formuloval koncept gravitační síly, a jeho spisy podrobně popsaly, jak gravitační přitažlivost ovlivňuje jak padající předměty, tak pohyby nebeských těles.
Nicméně, Newton využil pozorování a teorie jiných matematiků a fyziků, včetně: Maxe Keplera; Robert Hooke; Edmund Halley; a Christopher Wren.
Více než 100 let poté, co Newton publikoval svou práci, anglický fyzik Henry Cavendish vyslovil koncept gravitační konstanty G . Kromě jiného pomohla Cavendishova práce stanovit přesnou hodnotu celkové hmotnosti Země. (Při použití Newtonovy rovnice k měření gravitačních účinků Země na objekt vázaný na Zemi by M představovalo hmotnost Země a m by představovalo hmotnost objektu vázaného na Zemi.)
Jaké jsou některé aplikace zákona univerzální gravitace?
Zákon univerzální gravitace platí pro mnoho témat moderní vědy. Mezi tato témata patří:
- Příliv a odliv (vytvořený gravitační přitažlivostí Měsíce na Zemi)
- Interakce mezi dvěma pozemskými objekty
- Interakce mezi jedním pozemským objektem a Zemí samotnou
- Astrofyzika, včetně toho, jak nebeská tělesa působí silou na sebe navzájem a na mnohem menší objekty, jako jsou kosmické lodě.
Pro vesmírnou loď obíhající nebo opouštějící Zemi, protože hmotnost vesmírné lodi vzhledem k Zemi je malá, nevyvíjí loď na Zemi velkou sílu. Primárním důsledkem pro vesmírné lety je to, že gravitační síla na vesmírnou loď klesá s rostoucí vzdáleností mezi vesmírnou lodí a Zemí. Ve skutečnosti síla rychle klesá, protože je dělena druhou mocninou vzdálenosti.