Gravetat

De Viquipèdia

La gravetat és la força d’atracció mutua que experimenten dos objectes amb massa. Es tracta d’una de les quatre forces fonamentals observades fins ara a la naturalesa: la força electromagnetica, la força nuclear feble, la força nuclear forta i la força de la gravetat.

La gravetat és la més important respecte al funcionament de l’Univers: les forces nuclears tan sols es manifesten en el mon atòmic i subatòmic, i la força electromagnetica es divideix degut a que existeixen dos tipus de carrega (la positiva i la negativa), en canvi la força de la gravetat és la causant de que la Terra giri al voltant del Sol (entre els quals hi ha més de 150 milions de quilometres), de que el Sol es mogui al voltant del centre de la Via Lactea (a més de 25 mil anys llum de distancia). A part d’això la força gravitacional es ara mateix, entre les quatre forces fonamentals, la que menys entenen els físics moderns, aquests el que aspiren es arribar a la Gran Teoria Unificada, on les quatre forces estiguin unides en un model físic que descrigui el comportament total a l’univers. En aquest moment, la força de la gravetat és la problematica, la que es resisteix a la unió.

Sempre ens han dit que la gravetat ens atrau cap al centre de la terra; però si analitzam detingudament la forma en com un objecte massiu "curva o deforma" l’espai-temps arribarem a la conclusió que no es una força que ens atrau, sino més bé una força que ens empeny cap al centre d’un cos massiu, en aquest cas la terra. Per tant hauriem de dir: “La gravetat és la força que empeny a un objecte massiu cap al centre d’un altre de més massiu”.

Taula de continguts

1 Història
2 Efectes gravitacionals segons la teoria de la relativitat
3 Acceleració de la gravetat
- 3.1 Variació de la gravetat a la terra
- 3.2 La gravetat a altres astres del sistema solar

[edita] Història

[edita] Newton

Sir Isaac Newton

La Llei de la Gravitació Universal de Newton estableix que la força que exerceix una partícula puntual amb massa M sobre una altra amb massa m és directament proporcional al producte de les masses i la constant gravitacional, i inversament proporcional al quadrat de la distància que les separa r.

Newton va derivar aquesta relació de l'afirmació del matemàtic Johannes Kepler que els planetes és mouen en òrbites el•líptiques. Newton creia que la força gravitacional radiava igualment en totes les direccions del cos central. Newton reconeixia que aquest model gravitacional havia de prendre la forma d'una relació d'arrel quadrada invertida. Aquest model prediu que les òrbites d'objectes que envolten un cos central són seccions còniques. Molts d’anys d'observacions astronòmiques han sostingut aquesta tesi. Tot i que aquesta idea és comunament atribuïda a Isaac Newton, el matemàtic anglès Robert Hooke va argumentar que la va inventar ell la idea de la relació de l'arrel quadrada invertida. No obstant això, va ser Newton el qual finalment va publicar la seva teoria de la gravetat i es va fer famós.

La relació que Newton va descobrir s’asembla a això:

$\vec{F} = -G \frac {m_{1}m_{2}} {r^{2}}\hat{r}$

on F és la força de la gravetat (en unitats referides com newtons), m1 i m2 són les masses de dos objectes (en quilograms); r és la distància que separa els centres de massa dels objectes i G és la "Constant Gravitacional". Aquesta relació és universal perquè tots els objectes de l'univers s'atreuen entre si d'acord a aquesta relació, ja que la força sigui tan petita que no es noti. Encara que Newton va identificar correctament aquesta relació entre força, massa i distància, només va ser capaç d'estimar el valor de la constant gravitacional entre aquestes quantitats. El món hauria d'esperar més d'un segle per a una mesura experimental de la constant de la proporcionalitat – G.

[edita] Cavendish

Henry Cavendish

Al 1797, Henry Cavendish va confirmar la teoria de Newton i va determinar el punt que quedava sense resoldre en la Llei de la Gravitació Universal, la constant de proporcionalitat, la constat gravitacional. Per aconseguir saber que valia la constant aquesta va fer un experiment, va crear el que ell anomenaria balança de torsió, que consistia en dues masses, una a cada costat d’una barra suspesa per un cable, en aquest cable hi habia colocat un mirall, sobre el qual s’hi reflexava un raig de llum. Desprès el que va fer va ser col•locar una altra massa al costat d’una de les anteriors. A mesura que la tercera massa atreia l’altra massa més propera (col•locada a un extrem de la balança), l’aparell rotava lentament, per tant el raig de llum reflectit al mirall es movia. Cavendish, tan sols va haver de mesurar el moviment del raig de llum i aplicar la formula de Newton, i així va confirmar la teoria del cientific angles i, a més, determinar el valor de la constant gravitacional amb moltissima fiabilitat. Va determinar que la constant de la proporcionalitat era: G = 6,67 × 10^-11N m²/kg²

[edita] Einstein

Einstein, el que va fer va ser revisar la teoria de Newton mentre feia la seva teoria de la relativitat, el que deia era que el que experimentam com a força gravitatoria pot representar-se de forma matematica com una deformació o curvatura de la geometria d’un espai-temps tetradimensional, en resum, deia que la gravetat és geometria, és una deformació geometrica a la curvatura de l’espai per efecte de la massa dels cossos.

De la seva teoria de la gravetat, Einstein va deduir que la llum desviava la seva trajectoria a causa del sol. Això es va comprovar per primera vegada mentre s’observava un eclipse total de sol al 1919, es va veure que la llum que provenia d’estrelles molt llunyanes es corbava en pasar aprop del camp gravitatori del sol, la qual cosa alterava la posició aparent de les estrelles. D’ençà d’aquell moment hi ha hagut molts experiments i la teoria a pasat per bona.`

[edita] Efectes gravitacionals segons la teoria de la relativitat

Einstein fou l'inventor de la teoria de la relativitat

[edita] Efectes d’acceleració

La freqüencia de la llum decreix en pasar per una regió de gravetat elevada.
El temps es dilata gravitacionalment, els rellotges marquen el temps més lentament a mesura que augmenta la gravetat.
L’Efecte Shapiro, les diferents senyals que atravesen un camp amb gravetat molt alta necesiten més temps per a atravesar aquest camp.

[edita] Efectes orbitals

Decaïment orbital degut a l’emissió de radiació gravitacional.
Degut a la curvatura de l’espai-temps, l’orientació d’un giroscopi en rotació cambiarà amb el temps.

[edita] Efectes rotatoris

Es esl comportament de l’espai-temps al voltant d’un objecte massiu rotant.

Fricció de marc: és quan un objecte rotant arrosega amb si mateix a l’espai-temps, això fa que amb el temps l’orientació d’un giroscopi arribi a cambiar.
El principi d’equivalencia fort: fins i tot els objectes que graviten en torn a ells mateixos respondran a un camp gravitatori extern de la mateixa forma que ho faria una particula de prova.
Gravitons: el gravitó és una partícula elemental que permetria de quantitzar la força gravitatòria, es una particula inventada i hipotetica que encara no ha estat observada.

[edita] Acceleració de la gravetat

Newton va dir que, quan a un cos se li aplica una força, a aquest cos se li dona una acceleració. Per tant dins un camp gravitatori, com ara la terra, tot cos esta sotmes a la força de la gravetat i per tant sotmes a l’acceleració que dona aquesta força. L’acceleració donada per la força de la gravetat, rep el nom d’intensitat del camp gravitatori. Segons el principi d’equivalencia, quan un cos esta afectat per una acceleració és com si estigues sota els efectes d’un camp gravitatori que tingues la mateixa acceleració gravitatoria, o almenys sofreix els mateixos efectes.

Abans de l’intervenció de Galileu en el camp de les ciencies, concretament en el tema de la gravetat, es creia que un objecte pesat queia més rapid que un que tengues menys pes. Però el matemàtic va demostrar que no amb un senzill experiment, es colocà a la Torre Inclinada de Pisa, on va llançar dos objectes de massa distinta per a demostrar que el temps que tardava en caure era, virtualment el mateix.

[edita] Variació de la gravetat a la terra

L’acceleració de la gravetat a la terra, al nivell del mar és d’uns 9,80665 m/s², però varia segons l’altura a la qual ens trobem.

La gravetat de la terra és maxima a la superficie. A mesura que es puja, la distancia entre les dues masses afectades per l’atracció es major i per tant, com bé marca la relació establerta per Newton, la gravetat es menor. La curiositat ve quan ens endinsem a l’interior de la terra i deixem a d’alt la superficie, ja que cada vegada més part del planeta ens queda per sobre i menys massa d’aquest ens queda per davall. Després de fer aquest raonament podem assegurar que al centre de la terra la gravetat es nul•la, perque s’igualen les forces d’atracció entre els dos objectes.

A més, la gravetat encara té unes variacions més, la primera és que a causa de la forma ovalada que agafa la Terra per l’enfonyament dels pols nord i sud, podem dir que la gravetat augmenta amb la latitud, i la segona és per la rotació terrestre, aquesta genera una acceleració centrifuga que agafa la seva potencia maxima a l’equador i minima als pols. Els valors de la gravetat a l’equador i als pols son respectivament:

g (equador)= 9,7803 m/s²

g (pols)= 9,8322 m/s²

Variacions de la gravetat

[edita] La gravetat a altres astres del sistema solar

La llista següent ens mostra la intensitat de la gravetat al sol, a altres planetes i a la lluna, agafant com a sistema de referencia la gravetat que hi ha a la terra, 9.8m/s2 =1G.