Закон всемирного тяготения Ньютона

Каждое тело с массой притягивает каждое другое тело с массой — яблоко падает на Землю по той же причине, по которой Луна держится на орбите. Притяжение очень быстро слабеет с расстоянием: вдвое дальше — лишь четверть силы.

Формула

F = G · M · m / r²

  • F — сила (N): гравитационное притяжение между двумя телами
  • G — гравитационная постоянная (N·m²/kg²): фиксированное крошечное число, задающее силу гравитации всюду
  • M — первая масса (kg): масса первого тела, например планеты
  • m — вторая масса (kg): масса второго тела, например спутника
  • r — расстояние (m): расстояние между центрами двух тел

Решённый пример

Планета притягивает спутник 1 kg. Для этой планеты G умножить на M равно простым 40 в наших единицах, а спутник обращается на расстоянии 2 meters. Какова гравитационная сила?

  • G · M = 40 N·m²/kg
  • m = 1 kg
  • r = 2 m
  1. F = (G · M) · m / r²
  2. F = 40 · 1 / 2² = 40 · 1 / 4

F = 10 N

Проверьте себя

Тот же спутник теперь обращается вдвое дальше, на 4 meters, при тех же G M = 40 и массе 1 kg. Какова новая сила?
  • 5 N
  • 20 N
  • Правильный ответ: 2.5 N

Верно! Удвоение расстояния делит силу на 2 в квадрате, то есть на 4: 40 · 1 / 4² = 40 / 16 = 2.5 Н.

Сохраните расстояние 2 meters и G M = 40, но поставьте более тяжёлый спутник 2 kg. Какова новая сила?
  • Правильный ответ: 20 N
  • 10 N
  • 40 N

Да! Сила масштабируется прямо с массой: 40 · 2 / 2² = 40 · 2 / 4 = 20 Н.

Где вы это видите

Луна, остающаяся на орбите, и яблоко, падающее с дерева, — это одна и та же сила на двух разных расстояниях — озарение Ньютона состояло в том, что они вообще не являются отдельными явлениями. Спутники, Международная космическая станция и каждая планета, вращающаяся вокруг Солнца, остаются на месте, потому что гравитация обеспечивает ровно ту центростремительную силу, которая нужна их изогнутым путям.

Частые ошибки

Распространённое заблуждение состоит в том, что космонавты на орбите «невесомы», потому что гравитация слишком слаба там — на высоте МКС гравитация всё ещё примерно в 90% так же сильна, как на поверхности Земли; космонавты чувствуют себя невесомыми, потому что они и станция непрерывно падают вокруг Земли, а не потому, что гравитация отключилась. Другое — ожидать, что гравитация упадёт до нуля на каком-то конечном расстоянии — она никогда не достигает нуля, она просто продолжает ослабевать, следуя закону обратного квадрата вечно.

Как это связано

Гравитация — это конкретный закон силы, который встраивается в центростремительное ускорение a = v²/r, чтобы держать вращающиеся объекты в изогнутом пути вместо того, чтобы лететь прямо. Законы Кеплера далее описывают формы и сроки орбит, которые этот закон силы на самом деле производит — эллипсы, а не круги, с точным соотношением между орбитальным периодом и расстоянием.

Попробовать интерактивную симуляцию

Связанные концепции