O gravitačním a tíhovém poli - díl první

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:

F_g = 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)

F_g = -κ[(m₁m₂)/r³]r.

Je-li první těleso v počátku souřadné soustavy, pak vektor gravitační síly F_g 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. (M_sl)^-1/2.(slun.den)^-1, takže

{G} = 0.01720209895,

kde AU je astronomická jednotka, M_sl 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)