Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki
6-1
Wykład 6
6. Ciążenie powszechne (grawitacja)
6.1
Prawo powszechnego ciążenia
Newton - 1665 spadanie ciał. Skoro istnieje siła przyciągania pomiędzy dowolnym
ciałem i Ziemią, to musi istnieć siła między każdymi dwoma masami m
1
i m
2
. Skoro siła
jest proporcjonalna do masy ciała to musi być proporcjonalna do każdej z mas m
1
i m
2
oddzielnie czyli:
F
∼
m
1
m
2
Newton zastanawiał się również, czy siła działająca na ciała będzie malała wraz ze
wzrostem odległości. Doszedł do wniosku, że gdyby ciało znalazło się w odległości ta-
kiej jak Księżyc to będzie ono miało takie samo przyspieszenie jak Księżyc bowiem na-
tura siły grawitacyjnej pomiędzy Ziemią i Księżycem jest taka sama jak pomiędzy Zie-
mią i każdym ciałem.
Przykład 1
Obliczmy jakie jest przyspieszenie Księżyca i jaki jest stosunek przyspieszenia Księ-
życa do przyspieszenia grawitacyjnego przy powierzchni Ziemi?
Zastosujemy równanie na przyspieszenie dośrodkowe (wykład 3 - ruch jednostajny po
okręgu). Wówczas:
2
2
2
2
4
T
R
R
R
a
K
K
K
π
ω
=
=
=
v
gdzie R
K
jest odległością od Ziemi do Księżyca. Ta odległość wynosi 3.86·10
5
km,
a okres obiegu Księżyca T = 27.3 dnia. Otrzymujemy więc
a = 2.73·10
-3
m/s
2
W pobliżu powierzchni Ziemi przyspieszenie wynosi 9.8 m/s
2
. Stąd stosunek przyspie-
szeń wynosi:
a/g = 1/3590
≅
(1/60)
2
W granicach błędu a/g =
2
2
/
K
Z
R
R
.
Newton wykonał takie obliczenia i wyciągnął wniosek, że siła przyciągania między
dwoma masami maleje odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu odległości między nimi
(odległość między środkami mas). Sformułował więc prawo powszechnego ciążenia
2
2
1
~
r
m
m
F
Stałą proporcjonalności oznacza się G, więc
Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki
6-2
2
2
1
r
m
m
G
F
=
(6.1)
Newton oszacował wartość stałej G zakładając średnią gęstość Ziemi
ρ = 5·10
3
kg/m
3
(porównać to z gęstością pierwiastków z układu okresowego np.
ρ
Si
= 2.8·10
3
kg/m
3
,
ρ
Fe
= 7.9·10
3
kg/m
3
).
Punktem wyjścia jest równanie:
2
2
1
r
m
m
G
F
=
Jeżeli weźmiemy r = R
Z
to otrzymamy:
2
2
1
Z
R
m
m
G
F
=
Zgodnie z II zasadą Newtona F = ma, gdzie a = g.
Stąd
mg
R
m
m
G
Z
=
2
2
1
więc
Z
Z
M
gR
G
2
=
Wiemy, że M
Z
=
ρV
Z
więc
Z
Z
Z
R
g
R
gR
G
πρ
π
ρ
4
3
3
4
3
2
=
=
Uwzględniając R
Z
= 6.37·10
6
m otrzymamy G = 7.35·10
-11
Nm
2
/kg
2
co jest wartością
tylko o 10% większą niż ogólnie przyjęta wartość 6.67·10
-11
Nm
2
/kg
2
.
Porównując przyspieszenie grawitacyjne na orbicie Księżyca i na powierzchni Ziemi,
Newton zakładał, że Ziemia zachowuje się tak jakby jej cała masa była skupiona w
środku. Zgadywał, że tak ma być ale dowód matematyczny przeprowadził dopiero 20 lat
później (wtedy też sformułował rachunek całkowy).
Równanie (6.1) nazywa się prawem powszechnego ciążenia, ponieważ dokładnie to sa-
mo prawo stosuje się do wszystkich sił grawitacyjnych
. To samo prawo wyjaśnia spada-
nie ciał na Ziemię, tłumaczy ruch planet, pozwala obliczyć ich masy i okresy obiegu.
Przykład 2
Jaki był okres obiegu Księżyca przez moduł statku Apollo?
F = ma
Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki
6-3
2
R
m
M
G
F
K
=
gdzie M
K
jest masą Księżyca, a R promieniem orbity po jakiej krąży moduł o masie m.
Ponieważ przyspieszenie
2
2
4
T
R
a
π
=
więc
=
2
2
2
4
T
R
m
R
m
M
G
K
π
K
GM
R
T
3
2
2
4
π
=
K
GM
R
T
3
2
π
=
Podstawiając wartości liczbowe: promień Księżyca R = 1740 km, masę M
K
= 7.35·10
22
kg i G = 6.67·10
-11
Nm
2
/kg
2
, otrzymamy T = 6.5·10
3
s czyli 108 minut.
6.2
Doświadczenie Cavendisha
Newton obliczył wartość stałej G na podstawie przyjętego założenia o średniej war-
tości gęstości Ziemi. Gdyby Ziemia miała tak jak gwiazdy jądro o super wielkiej gęsto-
ści to wynik uzyskany przez Newtona byłby obarczony dużym błędem. Czy można wy-
znaczyć stałą G w laboratorium niezależnie od masy Ziemi i tym samym uniknąć błędu
związanego z szacowaniem gęstości Ziemi?
W tym celu trzeba zmierzyć siłę oddziaływania dwóch mas m
1
i m
2
umieszczonych
w odległości x (rysunek). Wówczas siła
F = Gm
1
m
2
/x
2
czyli
2
1
2
m
m
Fx
G
=
Zauważmy, że dla mas każda po 1 kg oddalo-
nych od siebie o 10 cm siła F ma wartość
F = 6.67·10
-9
N tj. 10
9
razy mniej niż ciężar 1
kg i jest za mała by ją wykryć (dokładnie) zwy-
kłymi metodami.
x
m
1
m
2
F
F
Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki
6-4
Problem ten rozwiązał Henry Cavendish w 1797 r. Wykorzystał on fakt, że siła potrzeb-
na do skręcenia długiego, cienkiego włókna kwarcowego o kilka stopni jest bardzo ma-
ła. Cavendish najpierw wykalibrował włókna, a następnie zawiesił na nich pręt z dwie-
ma małymi kulkami ołowianymi na końcach (rysunek a). Następnie w pobliżu każdej z
kulek umieścił większą kulę ołowianą i zmierzył precyzyjnie kąt o jaki obrócił się pręt
(rysunek b). Pomiar wykonane metodą Cavendisha dają wartość G = 6.67·10
-11
Nm
2
/kg
2
.
6.2.1 Ważenie Ziemi
Mając już godną zaufania wartość G, Cavendish wyznaczył M
Z
z równania:
G
gR
M
Z
Z
2
=
Wynik pomiaru jest równie dokładny jak wy-
znaczenia stałej G. Cavendish wyznaczył też
masę Słońca, Jowisza i innych planet, których
satelity zostały zaobserwowane. Np. na ry-
sunku obok niech M będzie masą Słońca, a m
masą planety krążącej wokół Słońca np. Zie-
mi. Wtedy
F = GMm/R
2
Ponieważ przyspieszenie
a = 4
π
2
R/T
to z równania F = ma otrzymujemy
m
m
M
M
α
a)
b)
R
M
m
Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki
6-5
=
2
2
2
4
T
R
m
R
Mm
G
π
czyli
2
3
2
4
GT
R
M
π
=
Jeżeli R jest odległością Ziemia - Słońce, T = 1 rok, to M jest masą Słońca. Podobne ob-
liczenia można przeprowadzić dla innych planet.
6.3
Prawa Keplera ruchu planet
Zanim Newton zapostulował prawo powszechnego ciążenia, Johannes Kepler
stwierdził, że ruch planet stosuje się do trzech prostych praw. Prawa Keplera wzmocniły
hipotezę Kopernika. Praca Keplera (1609 - 1619) była wielkim odkryciem i aktem od-
wagi zwłaszcza po tym jak w 1600 roku spalono na stosie Giordana Bruno zwolennika
systemu heliocentrycznego. Przypomnijmy, że nawet Galileusz został zmuszony do pu-
blicznego odwołania swoich poglądów (1633 r) mimo, że papież był jego przyjacielem.
Dogmatem wtedy był pogląd, że planety poruszają się wokół Ziemi po skomplikowa-
nych torach, które są złożeniem pewnej liczby okręgów. Np. do opisania orbity Marsa
trzeba było około 12 okręgów różnej wielkości.
Kepler poszukiwał nieskomplikowanej geometrycznie orbity, żeby udowodnić że Mars
i Ziemia muszą obracać się wokół Słońca. Po latach pracy odkrył trzy proste prawa, któ-
re zgadzały się z wynikami pomiarowymi pozycji planet z bardzo dużą dokładnością. Te
prawa stosują się też do satelitów okrążających jakąś planetę.
•
Pierwsze prawo Keplera
Każda planeta krąży po orbicie eliptycznej, ze Słońcem w jednym z ognisk tej elipsy.
•
Drugie prawo Keplera (prawo równych pól)
Linia łącząca Słońce i planetę zakreśla równe pola w równych odstępach czasu.
•
Trzecie prawo Keplera
Sześciany półosi wielkich orbit dowolnych dwóch planet mają się do siebie jak kwadraty
ich okresów obiegu.
(Półoś wielka jest połową najdłuższej cięciwy elipsy).
Dla orbit kołowych
2
2
2
1
3
2
3
1
T
T
R
R
=
Newton rozwijając swoją teorię potrafił dowieść, że tylko wtedy, gdy siła jest odwrotnie
proporcjonalna do kwadratu odległości, orbita dowolnej planety jest elipsą ze Słońcem
w jednym z ognisk oraz, że
2
2
2
1
3
2
3
1
T
T
R
R
=
. Newton wyprowadził prawa Keplera z zasad dy-
namiki. Przykładowo wyprowadźmy III prawo Keplera dla planet poruszających się po
orbitach kołowych.
Korzystając z otrzymanego uprzednio wzoru na masę Słońca otrzymamy dla pierwszej
planety:
2
1
3
1
2
4
GT
R
M
π
=
a dla drugiej
Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki
6-6
2
2
3
2
2
4
GT
R
M
π
=
Porównując otrzymamy
2
2
2
1
3
2
3
1
2
2
3
2
2
1
3
1
czyli
T
T
R
R
T
R
T
R
=
=
Drugie prawo Keplera wynika z zasady zachowania pędu (dowód można pominąć).
6.4
Ciężar
Ciężar zazwyczaj definiujemy jako siłę ciążenia działającą na ciało
. W pobliżu po-
wierzchni Ziemi dla ciała o masie m będzie ona równa mg. Na Księżycu ciężar jest
mniejszy w porównaniu z ciężarem na Ziemi około sześć razy.
165
.
0
2
2
2
2
=
=
=
K
Z
Z
K
Z
Z
K
K
Z
K
R
M
R
M
R
m
M
G
R
m
M
G
F
F
Definicja ciężaru może być myląca. Np. astronauta pomimo, że działa na niego jeszcze
siła ciążenia uważa, że jest w stanie nieważkości. Fizjologiczne odczucie ciężaru czyli
ile siły trzeba włożyć np. do podniesienia ręki.
6.4.1 Ciężar pozorny, masa bezwładna i masa grawitacyjna
Ważną konsekwencją tego, że siła grawitacyjna działająca na ciało jest proporcjo-
nalna do jego masy, jest możliwość pomiaru masy za pomocą mierzenia siły grawitacyj-
nej. Można to zrobić używając wagi sprężynowej albo porównując siły grawitacyjne
działające na masę znaną (wzorzec) i na masę nieznaną innymi słowy ważąc ciało na
wadze. Powstaje pytanie czy w obu metodach mierzymy tę samą właściwość. Np. gdy
spróbujemy pchnąć klocek po idealnie gładkiej poziomej powierzchni to wymaga to
pewnego wysiłku, a przecież ciążenie nie pojawia się tu w ogóle. Konieczność przyło-
żenia siły jest związana z masą. Ta masa występuje we wzorze F = ma. Nazywamy ją
masą bezwładną m
. W innej sytuacji utrzymujemy ten klocek uniesiony w górę w stanie
spoczynku. Bezwładność nie odgrywa tu żadnej roli bo ciało nie przyspiesza, jest w
spoczynku. Ale musimy używać siły o wartości równej przyciąganiu grawitacyjnemu
między ciałem i Ziemią, żeby ciało nie spadło. Odgrywa tu rolę ta właściwość ciała, któ-
ra powoduje jego przyciąganie przez inne obiekty takie jak Ziemia i siła jest tu dana
wzorem
2
'
Z
Z
R
M
m
G
F
=
gdzie
m' jest masą grawitacyjną
. Czy m i m' ciała są sobie równe?
Masa bezwładna m
1
spadając swobodnie w pobliżu powierzchni Ziemi ma przyspiesze-
Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki
6-7
nie a
1
, przy czym
2
1
1
1
'
Z
Z
R
M
m
G
a
m
=
jeżeli inna masa m
2
uzyskuje inne przyspieszenie a
2
to
2
2
2
2
'
Z
Z
R
M
m
G
a
m
=
Dzieląc te równania przez siebie otrzymamy
'
'
2
1
2
2
1
1
m
m
a
m
a
m
=
Widzimy, że jeżeli wszystkie ciała spadają z tym samym przyspieszeniem a
1
= a
2
= g to
stosunek mas bezwładnych jest równy stosunkowi mas grawitacyjnych. Jeżeli dla jednej
substancji ustalimy, że masa bezwładna jest równa masie grawitacyjnej to prawdziwe to
będzie dla wszystkich substancji. Aktualnie jesteśmy w stanie stwierdzić, że a
1
= a
2
z
dokładnością 10
-10
. Te wyniki sugerują, że masa bezwładna jest równa masie grawita-
cyjnej. To stwierdzenie nazywa się
zasadą równoważności
.
Konsekwencją jest to, że nie można rozróżnić między przyspieszeniem układu (labora-
torium), a przyspieszeniem grawitacyjnym. Ta zasada jest punktem wyjścia ogólnej teo-
rii względności Einsteina.
6.5
Pole grawitacyjne
Na przykładzie sił grawitacyjnych omówimy ważne w fizyce pojęcie pola. Nasze
rozważania rozpoczynamy od umieszczenia masy M w początku układu. W punkcie
przestrzeni opisanym wektorem r znajduje się natomiast masa m. Wektor r opisuje po-
łożenie masy m względem masy M więc siłę oddziaływania grawitacyjnego między tymi
masami (równanie 6.1) możemy zapisać w postaci wektorowej
r
r
F
3
2
r
Mm
G
r
r
Mm
G
−
=
−
=
(6.2)
Zwróćmy uwagę, że siłę tę możemy potraktować jako iloczyn masy m i wektora
γ(r)
przy czym
r
F
r
3
)
(
r
M
G
m
−
=
=
γ
(6.3)
Jeżeli w punkcie r umieścilibyśmy inną masę np. m' to ponownie moglibyśmy zapisać
siłę jako iloczyn masy m' i tego samego wektora
γ(r)
)
(
'
'
r
γ
m
F
=
Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki
6-8
Widzimy, że wektor
γ(r) nie zależy od obiektu na który działa siła (masy m) ale zależy
od źródła siły (masa M) i charakteryzuje przestrzeń otaczającą źródło (wektor r). Ozna-
cza to, że masa M stwarza w punkcie r takie
warunki
, że umieszczona w nim masa m
odczuje
działanie siły. Inaczej mówiąc masie M przypisujemy
obszar wpływu (działa-
nia)
,
czyli pole
.
Zwróćmy uwagę, że rozdzieliliśmy siłę na dwie części. Stwierdzamy, że jedna masa
wytwarza pole
, a następnie to
pole działa na drugą masę
. Taki opis pozwala uniezależ-
nić się od obiektu (masy m) wprowadzanego do pola.
Z pojęcia pola korzysta się nie tylko w związku z grawitacją. Jest ono bardzo
użyteczne również przy opisie zjawisk elektrycznych i magnetycznych. Źródłami i
obiektami działania pola elektrycznego są ładunki w spoczynku, a pola magnetycznego
ładunki w ruchu. Właściwości pól wytwarzanych przez ładunki elektryczne omówimy w
dalszych rozdziałach.
Chociaż pole jest pojęciem abstrakcyjnym jest bardzo użyteczne i znacznie
upraszcza opis wielu zjawisk. Na przykład gdy mamy do czynienia z wieloma masami,
możemy najpierw obliczyć w punkcie r pole pochodzące od tych mas, a dopiero potem
siłę działającą na masę umieszczoną w tym punkcie.
Z polem sił wiąże się nie tylko przestrzenny rozkład wektora natężenia pola, ale
również przestrzenny rozkład energii. Właśnie zagadnieniom dotyczącym pracy i energii
są poświecone następne rozdziały.
6.5.1 Pole grawitacyjne wewnątrz kuli
Rozpatrzmy teraz pole czaszy kulistej o masie m i promieniu R. Dla r > R pole jest
równe Gm/r
2
tj. tak jakby cała masa była skupiona w środku kuli (przykład z satelitą).
Jakie jest jednak pole wewnątrz czaszy?
Rozważmy przyczynki od dwóch leżących naprzeciwko siebie powierzchni A
1
i A
2
w punkcie P wewnątrz czaszy. Fragment A
1
czaszy jest źródłem siły F
1
~ A
1
/(r
1
)
2
cią-
gnącej w lewo. Powierzchnia A
2
jest źródłem siły ciągnącej w prawo F
2
~ A
2
/(r
2
)
2
.
Mamy więc
2
1
2
2
2
1
2
1
r
r
A
A
F
F
=
Z rozważań geometrycznych widać, że
2
2
2
1
2
1
r
r
A
A
=
(pola powierzchni stożków ~ do kwadratu wymiarów liniowych)
Po podstawieniu do pierwszego równania otrzymujemy
1
2
1
=
F
F
Tak więc wkłady wnoszone przez A
1
i A
2
znoszą się. Można w ten sposób podzielić całą
czaszę i uzyskać siłę wypadkową równą zero. Tak więc wewnątrz czaszy pole grawita-
A
1
A
2
P
r
1
r
2
Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki
6-9
cyjne jest równe zeru. Pole wewnątrz czaszy mającej skorupę dowolnej grubości też jest
zero bo możemy podzielić tę skorupę na szereg cienkich warstw koncentrycznych.
Na rysunku obok przedstawiono pełną kulę o pro-
mieniu R i masie M. W punkcie P pole pochodzące
od zewnętrznej warstwy jest zerem. Pole pochodzi
więc tylko od kuli o promieniu r czyli
a = Gm/r
2
lub a = G
ρV/r
2
Dla kuli V = 4
πr
3
/3. Gęstość
3
3
4
R
M
π
ρ
=
więc pole
w punkcie P wynosi
r
R
M
G
a
3
=
Widzimy, że pole zmienia się liniowo z r.
P
R
r
a
g
r
R
Z
~r
~1/r
2