Všeobecná gravitace

Newtonův gravitační zákon popisuje pády těles, pohyb planet i družic jedním pravidlem. Přitažlivá síla se vzdáleností nezmizí skokem, ale klesá s druhou mocninou vzdálenosti mezi středy hmotnosti.

rF = G m1 m2 / r^2m1m2

Zákon převráceného čtverce

Pro dva hmotné body nebo sféricky symetrická tělesa platí F = Gm₁m₂/r², kde G = 6,67430 × 10⁻¹¹ N m² kg⁻². Vzdálenost r měříme mezi středy hmotnosti, nikoli mezi povrchy.

Obě tělesa na sebe působí stejně velkými silami opačného směru. Zdvojnásobení r zmenší sílu na čtvrtinu a čtyřnásobné r na šestnáctinu.

Gravitační pole a tíha

Pole hmotnosti M popíšeme výrazem g = GM/r². U zemského povrchu je g přibližně 9,81 N/kg = 9,81 m/s² a velikost tíhy je W = mg.

Astronaut na oběžné dráze není mimo dosah gravitace. Družice i astronaut padají společně, takže váha může ukazovat téměř nulu, i když místní gravitační pole zůstává značné.

Gravitační síla

Sférická tělesa a slupková věta

Vně sféricky symetrického tělesa je pole stejné, jako kdyby byla jeho hmotnost soustředěna ve středu. Při výpočtu ve výšce h proto používáme r = R + h.

Uvnitř ideální rovnoměrné kulové slupky je výsledné pole nulové. Uvnitř plné koule nelze do GM/r² dosadit celkovou hmotnost; rozhoduje hmotnost uzavřená uvnitř daného poloměru.

Oběžná dráha jako nepřetržitý pád

Na oběžné dráze gravitace neustále stáčí vektor rychlosti. Pro kruhovou dráhu z GMm/r² = mv²/r dostaneme v = √(GM/r). Vyšší kruhová dráha má menší rychlost, ale delší periodu.

Hmotnost malé družice se v ideálním vztahu vykrátí. V přesném problému dvou srovnatelných hmotností se však obě tělesa pohybují kolem společného těžiště.

Potenciální energie a únik

Pro velké změny vzdálenosti používáme U = −GMm/r s nulou v nekonečnu. Záporná energie vyjadřuje, že gravitačně vázaný stav má nižší energii než dvě hmotnosti nekonečně daleko od sebe.

Ze zákona zachování energie plyne v_esc = √(2GM/R), zanedbáme-li atmosféru a rotaci. Celková mechanická energie na kruhové dráze je E = −GMm/(2r).

Síla a energie jsou dva popisy

Síla popisuje místní změnu hybnosti, potenciální energie usnadňuje porovnávat stavy v různých vzdálenostech. Oba popisy musí při stejných předpokladech vést ke shodnému výsledku.

Pro malé změny výšky u povrchu Země lze použít ΔU ≈ mgΔh. Pro vzdálenosti srovnatelné s poloměrem Země je však nutný vztah −GMm/r.

Kontrola modelu

Newtonův zákon je výborný pro běžnou mechaniku planet a družic. Pro velmi silná pole nebo relativistickou přesnost je nutná obecná relativita.

Rozměrová kontrola Gm₁m₂/r² musí dát newtony. Stejně důležitý je trend: při zvětšení vzdálenosti nemůže síla podle zákona 1/r² růst.

Řešené příklady

1. Zdvojnásobení vzdálenosti

Řešení

Protože F ∝ 1/r², po změně r na 2r je síla F/4.

2. Pole ve vzdálenosti 2R

Řešení

g(2R) = GM/(2R)² = g(R)/4.

3. Rychlost kruhové dráhy

Řešení

Z GMm/r² = mv²/r dostaneme po zkrácení v = √(GM/r).