Úvodní strana  >  Články  >  Ostatní  >  O gravitačním a tíhovém poli - díl první

O gravitačním a tíhovém poli - díl první

Isaac Newton na malbě Geofreho Knellera z roku 1702.
Isaac Newton na malbě Geofreho Knellera z roku 1702.
Po delší době přinášíme další seriál pro teoretické fyziky, atrofyziky i zájemce o matematicko-fyzikální vysvětlení některých známých fyzikálních zákonů. Tentokráte se zameříme na gravitační a tíhové pole, a to jak z obecného pohledu, tak i pro konkrétní příklad - pole naší Země. Vysvětlíme si základní pojmy a ukážeme si jejich souvislosti nejen ve fyzikálním, ale i historickém úhlu pohledu.

Newtonův gravitační zákon:

Učení o gravitaci patří k základním fyzikálním tématům v 1. ročníku čtyřletého gymnázia. Avšak s tím, že ihned na začátku se vynechává etymologie. Pojem "gravitace" souvisí s latinským slovem gravis, znamenajícím "těžký". Z důvodů uvedených níže však pojem "gravitační" nelze překládat.

Podnětem k nalezení gravitačního zákona Newtonem bylo vyslovení Keplerových zákonů. I. Newton nebyl sám, který se touto otázkou zabýval, k objevení zákonitosti spěl také Robert Hooke (18. července 1635 - 3. března 1703). 6. ledna 1680 napsal Newtonovi dopis, ve kterém píše že "...přitažlivost je vždy nepřímo úměrná vzdálenosti se čtvercem." Nedostatek v úvaze byl m.j. ten, že Hooke přisuzoval přitažlivost pouze Slunci. Newtonovi bylo zřejmě líto, že na tuto skutečnost nepřišel jako první, a proto Hookea neměl rád. Nicméně byl to právě Newton, který vyslovil zásadní tvrzení: Každá dvě tělesa na sebe působí přitažlivými gravitačními silami. Toto tvrzení je nutno považovat za prvotní. Druhotné je stanovení síly, kterou na sebe působí dvě tuhé homogenní koule (a ne tedy pouze dva hmotné body) s hmotnostmi m1, m2, mezi jejichž středy je vzdálenost r. Platí:

Fg = κ[(m1m2)/r2],

kde κ je Newtonova gravitační konstanta. Z názvu však neplyne, že by její hodnotu Newton znal. Poprvé ji změřil Henry Cavendish (10. října 1731 – 24. února 1810) roku 1798 pomocí torzních vah. Její hodnota je (6.67428 ± 0.00067)•10-11 N•m2•kg-2. (Poznámka: Z didaktických důvodů na základních školách pojmem "gravitační konstanta" je označováno tíhové zrychlení g = 9.81 m/s2, neboť pohyb rovnoměrně zrychlený se na základní škole neprobírá.)

Výše uvedeným výrazem je stanovena pouze velikost gravitační síly. Síla je ovšem vektorová veličina. Chceme-li stanovit i směr gravitační síly, kterou působí 1. těleso na 2., zavedeme nejprve vektor r s počátečním bodem ve středu 1. tělesa a koncovým bodem ve středu 2 Pak lze psát (ovšem jen pro homogenní tuhé koule)

Fg = -κ[(m1m2)/r3]r.

Je-li první těleso v počátku souřadné soustavy, pak vektor gravitační síly Fg vypočteme tak, že za r dosazujeme postupně souřadnice x, y, z druhého tělesa.

Gaussova gravitační konstanta:

Při řešení pohybu v gravitačním poli Slunce se s výhodou zavádí Gaussova gravitační konstanta, obvykle značena G, jejíž vztah k Newtonově g. konstantě je dán rovnicí G2 = κ, avšak jednotky jsou zcela jiné. Zatímco [κ] = 1 m3.kg-1.s-2, je [G] = 1 (AU)3/2. (Msl)-1/2.(slun.den)-1, takže

{G} = 0.01720209895,

kde AU je astronomická jednotka, Msl je hmotnost Slunce.

Reference:
[1] Internet, www.wikipedia.org
[2] Kleczek J., Švestka Z., Astronomický a astronautický slovník (Orbis, Praha 1963)
[3] Železný V., Návraty první dámy (Panorama, Praha, 1986)




Seriál

  1. O gravitačním a tíhovém poli - díl první
  2. O gravitačním a tíhovém poli - díl druhý
  3. O gravitačním a tíhovém poli - díl třetí
  4. O gravitačním a tíhovém poli - díl čtvrtý
  5. Definování polohy kosmického tělesa - díl první
  6. Definování polohy kosmického tělesa - díl druhý


O autorovi

Miroslav Šulc

Miroslav Šulc

Narozen 1941, v roce 1963 promoval na přírodovědecké fakultě Univerzity J. E. Purkyně (dříve a nyní Masarykova univerzita) v oboru matematika-fyzika (s titulem promovaný fyzik-učitel). Od té doby zaměstnán jako učitel na střední škole. Od r. 1954 do r. 1986 externí spolupracovník brněnské hvězdárny. Od r. 1959 člen České astronomické společnosti. Od r. 1996 hospodář výboru SMPH. Od r. 2006 v definitivním důchodu.

Štítky: Gravitace


16. vesmírný týden 2017

16. vesmírný týden 2017

Přehled událostí na obloze od 17. 4. do 23. 4. 2017. Měsíc bude v poslední čtvrti. Večer zůstává nad západem Mars a pomalu se zlepšuje i večerní viditelnost Jupiteru. Ráno je nejvýše Saturn, nízko už také jasná Venuše. Stále můžeme doporučit několik komet. Čeká nás průlet blízkozemní planetky, viditelné i menšími dalekohledy. Z nabídky 100 pozorování přidáváme jednu pěknou kulovku a galaxii, jeden zákryt hvězdy planetkou a především upozorníme na maximum meteorického roje Lyrid, které letos nebude rušit Měsíc. Očekává se start první čínské zásobovací lodi a ukázalo se, že Enceladus by mohl být dobrým místem pro život.

Další informace »

Česká astrofotografie měsíce

Mliecna draha nad Salasom Zbojska

Titul Česká astrofotografie měsíce za březen 2017 obdržel snímek „Mliečná dráha nad Salašom Zbojská“, jehož autorem je Ondrej Králik. Na jednom z nejtmavších míst Slovenska se zastavil astronom. Astronom a také fotograf. Svůj stativ s fotoaparátem však nepostavil nikam daleko od světel

Další informace »

Poslední čtenářská fotografie

Průlet NEA 2014JO25 - 1 den po největším přiblížení Zemi (23MB animated GIF)

1 den po nejbližším přiblížení Zemi, již znatelně zpomalený pohyb vůči hvězdnému poli. Zrychleno 225x. technika: HEQ5, SW R102/500, Atik 314L+, expozice 15s, trackováno na planetku, efemeridy z NASA Horizons

Další informace »