เมื่อเรียนวิชาฟิสิกส์ของโรงเรียน หัวข้อสำคัญในวิชากลศาสตร์คือกฎความโน้มถ่วงสากล ในบทความนี้ เราจะมาดูรายละเอียดกันว่ามันคืออะไร และอธิบายสูตรทางคณิตศาสตร์ว่าอย่างไร และยังยกตัวอย่างของแรงโน้มถ่วงในชีวิตประจำวันของมนุษย์และในระดับจักรวาลด้วย
ใครเป็นผู้ค้นพบกฎแรงโน้มถ่วง
ก่อนที่จะยกตัวอย่างแรงโน้มถ่วง เรามาอธิบายสั้นๆ กันดีกว่าว่าใครเป็นผู้ค้นพบมัน
ตั้งแต่สมัยโบราณ ผู้คนได้สังเกตดวงดาวและดาวเคราะห์และรู้ว่าพวกมันเคลื่อนที่ไปตามวิถีบางอย่าง นอกจากนี้ ใครก็ตามที่ไม่มีความรู้พิเศษก็เข้าใจดีว่าต่อให้ขว้างหินหรือวัตถุอื่นๆ ไปไกลและสูงแค่ไหน มันก็ตกลงสู่พื้นเสมอ แต่ไม่มีใครคาดเดาได้ว่ากระบวนการของโลกและเทห์ฟากฟ้าถูกควบคุมโดยกฎธรรมชาติเดียวกัน
ในปี ค.ศ. 1687 เซอร์ไอแซก นิวตันได้ตีพิมพ์ผลงานทางวิทยาศาสตร์ซึ่งเขาได้ร่างโครงร่างทางคณิตศาสตร์เป็นครั้งแรกการกำหนดกฎความโน้มถ่วงสากล แน่นอนว่านิวตันไม่ได้มาที่สูตรนี้โดยอิสระซึ่งเขาจำได้เป็นการส่วนตัว เขาใช้แนวคิดบางอย่างของคนในสมัยของเขา (เช่น การมีอยู่ของสัดส่วนผกผันกับกำลังสองของระยะห่างของแรงดึงดูดระหว่างวัตถุ) ตลอดจนประสบการณ์การทดลองสะสมเกี่ยวกับวิถีของดาวเคราะห์ (ทั้งสามของเคปเลอร์ กฎหมาย) อัจฉริยะของนิวตันแสดงให้เห็นว่าหลังจากวิเคราะห์ประสบการณ์ที่มีอยู่ทั้งหมดแล้ว นักวิทยาศาสตร์ก็สามารถกำหนดมันขึ้นมาในรูปแบบของทฤษฎีที่สอดคล้องกันและนำไปใช้ได้จริง
สูตรแรงโน้มถ่วง
กฎความโน้มถ่วงสากลสามารถกำหนดสั้น ๆ ได้ดังนี้: ระหว่างวัตถุทั้งหมดในจักรวาลมีแรงดึงดูดซึ่งเป็นสัดส่วนผกผันกับกำลังสองของระยะห่างระหว่างจุดศูนย์กลางมวลและสัดส่วนโดยตรงกับผลคูณ ของมวลกายเอง สำหรับร่างสองร่างที่มีมวล m1 และ m2 ซึ่งอยู่ห่างจากกัน r กฎหมายที่ศึกษาจะถูกเขียนเป็น:
F=Gm1m2/r2.
ที่นี่ G คือค่าคงตัวของแรงโน้มถ่วง
แรงดึงดูดคำนวณได้โดยใช้สูตรนี้ทุกกรณี ถ้าระยะห่างระหว่างวัตถุนั้นใหญ่พอเมื่อเทียบกับขนาดของมัน มิฉะนั้น และในสภาวะที่มีแรงโน้มถ่วงรุนแรงใกล้กับวัตถุในอวกาศขนาดใหญ่ (ดาวนิวตรอน, หลุมดำ) เราควรใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพซึ่งพัฒนาโดยไอน์สไตน์ อย่างหลังถือว่าแรงโน้มถ่วงเป็นผลมาจากการบิดเบือนของกาล-อวกาศ ในกฎคลาสสิกของนิวตันแรงโน้มถ่วงเป็นผลมาจากปฏิกิริยาของร่างกายกับสนามพลังงานบางอย่าง เช่น สนามไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็ก
ปรากฏการณ์แรงโน้มถ่วง: ตัวอย่างจากชีวิตประจำวัน
อย่างแรก เราสามารถตั้งชื่อร่างที่ตกลงมาจากความสูงระดับหนึ่งได้ ดังตัวอย่างดังกล่าว ตัวอย่างเช่น ใบไม้หรือแอปเปิ้ลที่มีชื่อเสียงจากต้นไม้ หินตกลงมา เม็ดฝน ดินถล่มจากภูเขา และดินถล่ม ในกรณีเหล่านี้ ร่างกายมักจะเป็นศูนย์กลางของโลก
ประการที่สอง เมื่อครูขอให้นักเรียน "ยกตัวอย่างแรงโน้มถ่วง" พวกเขาควรจำไว้ว่าร่างกายทุกคนมีน้ำหนัก เมื่อโทรศัพท์อยู่บนโต๊ะหรือเมื่อบุคคลถูกชั่งน้ำหนักบนตาชั่ง ในกรณีนี้ ร่างกายจะกดบนที่รองรับ น้ำหนักตัวเป็นตัวอย่างที่ชัดเจนของการสำแดงของแรงโน้มถ่วง ซึ่งประกอบกับปฏิกิริยาของการสนับสนุนทำให้เกิดแรงคู่ที่สมดุลกัน
หากใช้สูตรจากย่อหน้าก่อนหน้าสำหรับสภาพพื้นโลก (แทนที่มวลของดาวเคราะห์และรัศมีของมันเข้าไป) จะได้นิพจน์ต่อไปนี้:
F=mg
มันถูกใช้ในการแก้ปัญหาแรงโน้มถ่วง โดยที่ g คือความเร่งที่ให้กับวัตถุทั้งหมด โดยไม่คำนึงถึงมวลของวัตถุ ในการตกอย่างอิสระ หากไม่มีแรงต้านอากาศ หินหนักและขนเบาก็จะตกลงมาพร้อมกันจากความสูงเท่ากัน
แรงโน้มถ่วงในจักรวาล
ใครๆ ก็รู้ว่าโลก โคจรรอบดวงอาทิตย์พร้อมกับดาวเคราะห์ดวงอื่นๆ ในทางกลับกันดวงอาทิตย์อยู่ในทางช้างเผือกแขนข้างหนึ่งของดาราจักรชนิดก้นหอยหมุนไปพร้อมกับดาวนับร้อยล้านรอบใจกลางกาแล็กซี กาแล็กซีเองก็เข้าใกล้กันในกระจุกท้องถิ่นที่เรียกว่า หากเราย้อนกลับไปในระดับหนึ่ง เราควรจำดาวเทียมที่โคจรรอบดาวเคราะห์ของพวกมัน ดาวเคราะห์น้อยที่ตกลงบนดาวเคราะห์เหล่านี้หรือบินผ่าน ทุกกรณีเหล่านี้สามารถจดจำได้หากครูถามนักเรียนว่า: "ยกตัวอย่างแรงโน้มถ่วง"
โปรดทราบว่าในทศวรรษที่ผ่านมา คำถามเกี่ยวกับกำลังหลักในระดับจักรวาลได้ถูกตั้งคำถาม ในอวกาศไม่ต้องสงสัยเลยว่าแรงโน้มถ่วง อย่างไรก็ตาม เมื่อพิจารณาถึงปัญหาในระดับของกาแลคซี พลังอื่นที่เกี่ยวข้องกับสสารมืดที่ยังไม่ทราบแน่ชัดก็เข้ามามีบทบาท อันหลังแสดงออกว่าต้านแรงโน้มถ่วง