Gdy byliśmy dziećmi, to zapewne zastanawialiśmy się, dlaczego upuszczony przedmiot spada na ziemię lub na podłogę. Dlaczego nie porusza się na boki albo do góry? Ponadto dlaczego przedmiot rzucony w górę również spada w dół? Albo dlaczego chodzimy po ziemi zamiast unosić się swobodnie? Tą siłą, która sprawia, że wszystkie przedmioty spadają w dół, a my chodzimy po powierzchni, jest grawitacja. Co to za siła?
Grawitacja – co to jest?
Mówiąc najprościej, grawitacja to siła, dzięki której dochodzi do wzajemnego przyciągania się obiektów posiadających jakąś masę. Nie ma znaczenia, jakiej wielkości jest to masa – grawitacja sprawia, że obiekty te przyciągają się w sposób widzialny, jeśli ich masa jest odpowiednio duża.
Grawitacja to jedno z tzw. oddziaływań fundamentalnych. Znamy jeszcze trzy inne takie oddziaływania: elektromagnetyczne, jądrowe silne i jądrowe słabe. Grawitacja stanowi najsłabszą siłę z nich wszystkich, działa bowiem tylko wtedy, gdy mamy do czynienia z ciałami wielkości astronomicznych.
To też tłumaczy, dlaczego przedmioty codziennego użytku nie wykazują cech wzajemnego przyciągania grawitacyjnego. Mają one zbyt małą masę, są też niewielkie i ograniczone przez inne siły wokół nich (m.in. tarcie). Jednak najważniejsze jest to, że przyciąga je szczególny obiekt: nasza planeta Ziemia.
Wystarczy porównać masy Ziemi i wybranego przedmiotu, aby zrozumieć dysproporcję między nimi. Ziemia waży niecałe 6 000 000 000 000 000 000 000 000 kg (6*1024 kg). Z kolei laptop, na którym jest pisany niniejszy artykuł, waży 2,5 kg. Jest to więc proporcja 1 do 2,4 kwadryliona.
To właśnie siła grawitacji sprawia, że przedmioty spadają lub są lekko przyciśnięte w dół do powierzchni mniej lub bardziej poziomych (np. biurka). Również przystosowani do jej oddziaływania ludzie i inne istoty biologiczne poruszają się po powierzchni ziemi, zamiast unosić się w powietrzu.
Historia badań nad grawitacją
Zauważyli to już greccy filozofowie, tacy jak Arystoteles czy Archimedes, którzy próbowali wyjaśnić zjawisko spadania np. tym, że Ziemia znajduje się w centrum wszechświata. Sam Arystoteles wierzył również, że cięższe obiekty spadają szybciej.
Dopiero w XVI wieku badacze tacy jak Domingo de Soto zauważyli, że wszystkie obiekty w zasadzie spadają z tą samą prędkością, niezależnie od ich wagi. Udowodnił to natomiast Galileusz, który eksperymentował z kulami staczającymi się po pochyłej powierzchni.
Jednak prawdziwym gigantem badań nad grawitacją okazał się Sir Izaak Newton. Jego badania nad ziemskim ciążeniem, prawami Keplera opisującymi ruchy planet i obliczenia związane z nimi doprowadziły go do wniosku, że grawitacja jest zasadą uniwersalną w kosmosie. Dzięki temu Newton sformułował znane nam dziś prawo powszechnego ciążenia i 3 zasady dynamiki.
Kilka wieków później grawitacja stała się przedmiotem badań Alberta Einsteina. Jego ogólna teoria względności skutecznie wyjaśniła drobne nieścisłości w ruchu Merkurego, których nie mogły wyjaśnić prawa Newtona. W teorii Einsteina grawitacja to nie tyle siła, ile efekt zakrzywienia czasoprzestrzeni z powodu masy danego ciała. Teorie i obliczenia Einsteina zostały wielokrotnie udowodnione eksperymentalnie.
Dzisiaj ogólna teoria względności jest stosowana, gdy potrzeba bardzo szczegółowych obliczeń, wymagających wysokiej precyzji. Jednak w klasycznej mechanice, która nie wymaga takiej szczegółowości, prawo grawitacji Newtona i jego zasady dynamiki są wystarczające.
Jak działa grawitacja?
Jak już napisano, grawitacja to oddziaływanie, dzięki któremu przedmioty spadają w dół, a ludzie mogą chodzić po planecie. Planet i księżyców we wszechświecie jest jednak ogrom i każdy z tych obiektów posiada inną masę. To oznacza, że w zależności od masy ciała i jego promienia (lub średnicy) grawitacja na powierzchni danego ciała niebieskiego będzie inna.
W przypadku naszej planety przyspieszenie grawitacyjne na równiku wynosi 9,807 m/s2. Wartość tę można również zapisać jako 1 g. Jest to grawitacja, jaka panuje na Ziemi, dzięki czemu możemy po niej chodzić swobodnie i w żaden sposób nie ogranicza naszych ruchów.
Inne ciała niebieskie mają własne przyspieszenie grawitacyjne. Na przykład Księżyc, na którym w 1969 roku wylądowali Neil Armstrong, Buzz Aldrin i Michael Collins w ramach misji Apollo 11 (później było jeszcze 5 innych lądowań).
Grawitacja powierzchni naszego satelity wynosi jedynie 1,625 m/s2. A zatem przyspieszenie grawitacyjne Księżyca wynosi 16,6% grawitacji Ziemi lub inaczej 0,166 g. To m.in. dlatego astronauci, którzy wylądowali na Księżycu, mogli skakać całkiem wysoko i poruszali się niezdarnie.
Z innych ciał niebieskich Mars ma grawitację równą 3,721 m/s2 (37,9% ziemskiej lub 0,379 g). Natomiast grawitacja powierzchni gazowej Jowisza to 24,79 m/s2 (252,8% ziemskiej lub 2,528 g). Co ciekawe, wartości grawitacji Wenus, Saturna, Uranu i Neptuna są zbliżone do ziemskiej.
Grawitacja między planetami lub gwiazdami
Grawitacja to jednak nie tylko oddziaływanie między masywnymi ciałami niebieskimi a małymi przedmiotami, które spadają na powierzchnię tych ciał. Zgodnie z prawami Keplera, Newtona i Einsteina, grawitacja oddziałuje również między ciałami niebieskimi.
Jest to uniwersalna zasada, która sprawia, że wokół naszego Słońca krążą planety, a wokół planet krążą księżyce. Dzięki badaniom astronomicznym wiemy również o tzw. gwiazdach podwójnych (a potencjalnie możemy odkryć też planety podwójne). W zależności od ich mas możemy mieć do czynienia z sytuacją, kiedy znacznie mniejsza gwiazda krąży wokół znacznie większej lub gdy dwie gwiazdy o zbliżonej masie krążą zasadniczo wokół siebie.
Co jednak sprawia, że Ziemia porusza się wokół Słońca, a nie spada w nie? Wszystko dzięki ruchowi obiegowemu wokół naszej gwiazdy dziennej. Ruch planety wokół Słońca z odpowiednią prędkością (im dalej od Słońca, tym wolniej) sprawia, że znajduje się ona na stabilnej, zamkniętej orbicie. Gdyby planeta stała w miejscu lub podróżowała zbyt wolno, to w końcu Słońce przyciągnęłoby ją do siebie.
Na podobnej zasadzie działają satelity wokół Ziemi. Aby satelita nie spadł z powrotem na Ziemię, należy nadać mu tzw. pierwszą prędkość kosmiczną (w przypadku Ziemi wynosi ona 7,91 m/s). Nasza planeta wciąż przyciąga satelitę do siebie, ale ten porusza się teraz z taką prędkością, że równoważy ona wpływ grawitacji ziemskiej. Dzięki temu satelita może poruszać się po stabilnej orbicie.
Wzór na siłę grawitacji
Sir Izaak Newton sformułował prawo powszechnego ciążenia, które brzmi w następujący sposób: „Między dowolną parą ciał posiadających masy pojawia się siła przyciągająca, która działa na linii łączącej ich środki mas, a jej wartość rośnie z iloczynem ich mas i maleje z kwadratem odległości”.
Innymi słowy, zgodnie z III zasadą dynamiki siły przyciągania są wzajemne. Czyli skoro Słońce przyciąga Ziemię pewną siłą, to Ziemia przyciąga Słońce siłą o tej samej wartości i kierunku, lecz o przeciwnym zwrocie. Newton wyraził tę zasadę za pomocą następującego wzoru na siłę grawitacji, która jest wyrażona w niutonach (N):
F = G*[(m1*m2)/r2]
gdzie:
- G – stała grawitacji (wynosi ona 6,6743*10-11 m3/kg*s2),
- m1 i m2 – masy obu ciał,
- r – odległość między środkami mas obu ciał.
W przypadku obliczania przyspieszenia grawitacyjnego danej planety wystarczy zastosować tylko masę planety (M). Z kolei r oznacza wtedy promień danej planety na jej równiku. W ten sposób obliczono, że przyciąganie grawitacyjne Ziemi (czyli g) wynosi 9,807 m/s2 (w przybliżeniu 9,81 m/s2). Wartość ta jest przedstawiana również jako 1 g. Na innej planecie będzie ona odmienna z powodu innej masy i wielkości (promienia) planety.
Możemy obliczyć również siłę ciężkości (czyli ciężar) swobodnie spadającego ciała. Stosujemy wtedy wzór:
F = m*a
gdzie:
- m – masa ciała,
- a – jego przyspieszenie.
Ponieważ chodzi o swobodnie spadające ciało przyspieszające dzięki grawitacji, to pod a podkładamy g i wychodzi nam wzór:
F = m*g
A zatem jeżeli ciało posiada masę m równą 1 kg i pomnożymy tę wartość przez g równe 9,81 m/s2, wyjdzie nam ciężar ciała F równy 9,81 N. Na Księżycu to samo ciało będzie natomiast ważyć 1,26 N. Z kolei na Marsie byłoby to 3,721 N.
Grawitacja a czarne dziury
Powyżej opisaliśmy to, jak działa grawitacja w normalnych warunkach. Jednak siły we wszechświecie, w tym grawitacja, potrafią osiągać również wartości skrajne. Wiemy już, że im większa masa ciała, tym większa jego grawitacja. A często najmasywniejszymi jednostkowymi obiektami we wszechświecie są czarne dziury.
Czarna dziura to obiekt tak gęsty (z powodu ogromnej masy zamkniętej w maleńkiej przestrzeni), że jego grawitacja jest naprawdę silna. Sama czarna dziura to po prostu tak silnie zakrzywiona czasoprzestrzeń, że nie wydostaje się z niej nic, nawet światło. Na jej obrzeżu jest tzw. horyzont zdarzeń, który rozgranicza region wciąż normalnej przestrzeni od regionu, w którym wszystko jest na zawsze stracone w czarnej dziurze.
Masa czarnej dziury jest tak ogromna, że zakrzywia czasoprzestrzeń wokół siebie w sposób widzialny (dzięki zakrzywieniu promieni świetlnych). Zjawisko to jest znane jako soczewkowanie grawitacyjne.
Fale grawitacyjne – czym są?
Z grawitacją w skrajnych warunkach wiąże się jeszcze jedno ciekawe zjawisko: są nim tzw. fale grawitacyjne. Najprostsza definicja mówi, że fala grawitacyjna to odkształcenie czasoprzestrzeni mające postać fali przemieszczające się z prędkością światła. Dochodzi wtedy do miarowego skurczania i rozkurczania czasoprzestrzeni.
Aby powstała mierzalna fala grawitacyjna, musimy mieć obiekt o ogromnej masie, który porusza się z przyspieszeniem. W ten sposób może on odkształcić czasoprzestrzeń przed sobą i za sobą. Aby jednak mogło ono przyspieszać, musi krążyć wokół drugiego podobnie masywnego ciała, które również zachowuje się podobnie do niego.
Takimi parami ciał mogą być gwiazdy podwójne, a zwłaszcza pary czarnych dziur. Z powodu ich masy i bardzo dużej bliskości względem siebie nie tylko okrążają się wzajemnie, ale przyciągają się coraz bliżej do siebie, jednocześnie przyspieszając, aż się zderzą lub połączą. Podczas przyspieszenia i wreszcie zderzenia obiekty te emitują energię w postaci promieniowania znaną właśnie jako fala grawitacyjna.
Pierwsza obserwacja fali grawitacyjnej nastąpiła 14 września 2015 roku (artykuł naukowy opublikowano 11 lutego 2016 roku). Tego dnia oba detektory LIGO zarejestrowały sygnał GW150914. Częstotliwość sygnału wzrosła z 35 do 250 Hz w czasie 0,2 s. Sygnał pochodził ze zderzenia dwóch czarnych dziur o 29 i 36 mas Słońca. Powstała jedna czarna dziura o masie 62 mas słonecznych, a pozostałe 3 masy słoneczne zostały wyemitowane właśnie w postaci tego sygnału jako fala grawitacyjna.
Źródła
- https://zpe.gov.pl/a/prawo-powszechnego-ciazenia/DIdzGlunk [dostęp: 30.07.2024].
- https://pl.wikipedia.org/wiki/Grawitacja [dostęp: 30.07.2024].
- https://en.wikipedia.org/wiki/Gravity [dostęp: 30.07.2024].
- https://www.national-geographic.pl/artykul/grawitacja-jak-dziala-i-czym-jest-jak-powstaja-fale-grawitacyjne [dostęp: 30.07.2024].
- https://pl.wikipedia.org/wiki/Fala_grawitacyjna [dostęp: 30.07.2024].
© Źródło zdjęcia głównego: Canva.
