Gravitaatio

Gravitaatio on yksi neljästä maailmankaikkeuden rakennetta ja toimintaa selittävästä perusvuorovaikutuksesta. Muut perusvuorovaikutukset ovat sähkömagneettinen vuorovaikutus, vahva vuorovaikutus ja heikko vuorovaikutus 

Gravitaatiossa kahteen vuorovaikuttavaan kappaleeseen kohdistuu yhtä suuret vastakkaissuuntaiset gravitaatiovoimat; gravitaatiovoima aiheutuu kappaleiden massasta. Gravitaatiovuorovaikutus on etävuorovaikutus ja gravitaatiovoima on vetovoima.

Vuorovesi-ilmiö aiheutuu siitä, että Kuun ja Auringon vetovoimat ovat erilaiset maapallon eri puolilla. Gravitaatio aiheutuu suhteellisuusteorian mukaan avaruuden kaareutumisesta, joka taas aiheutuu kappaleiden massoista ja energioista.

Keplerin lait

1. laki: planeettojen radat ovat ellipsejä, joiden toisessa polttopisteessä on Aurinko.
2. Planeetan liikkuessa sitä Aurinkoon yhdistävä jana pyyhkii yhtä pitkissä jaksoissa yhtä suuret pinta-alat.
3. Planeettojen kiertoaikojen T (Auringon ympäri) neliöt ovat verrannolliset niiden ja Auringon keskietäisyyksien r kuutioihin

Keplerin 2. lain mukaan kaukana Auringosta ollessaan planeetta kulkee hitaammin ja lähellä Aurinkoa ollessaan nopeammin  Planeetan ratanopeus ei siis ole vakio.

Newtonin gravitaatiolaki

Planeettaan vaikuttava gravitaatiovoima suuntautuu kohti Aurinkoa. Voimaa, joka suuntautuu aina kohti samaa pistettä, kutsutaan keskeisvoimaksi. Gravitaatiovoima on siis keskeisvoima. Kappaleeseen kohdistuva paino on gravitaation aiheuttama voima. Gravitaatiovoima aiheutuu kahden kappaleen välisestä vuorovaikutuksesta ja se on verrannollinen kummankin kappaleen massaan. 

Newtonin gravitaatiolain mukaan kaksi pistemäistä kappaletta, joiden massat ovat m1 ja m2 ja joiden välinen etäisyys on r, vetävät toisiaan puoleensa voimalla, joka on suoraan verrannollinen kummankin kappaleen massaan ja kääntäen verrannollinen kappaleiden (painopisteiden) välisen etäisyyden neliöön.

 

Kaikki massalliset kappaleet aiheuttavat gravitaatiolain mukaisen vetovoiman ja tuntevat muiden kappaleiden aiheuttaman vetovoiman.

 

Gravitaatiokenttä

Etävuorovaikutuksen kuvaamiseen käytetään klassisessa fysiikassa kenttää. Kenttää kuvataan kenttäviivoilla, joiden tiheys kuvaa kentän voimakkuutta. Kenttäviivojen suunta on sama kuin kentän voimakkuuden suunta. Gravitaatiokentän voimakkuus riippuu kappaleen massasta sekä etäisyydestä kappaleeseen. Kappeleet tuntevat toistensa aiheuttamat gravitaatiokentät.

Kaikki kappleet niiden massasta riippumatta saavat gravitaatiokentässä saman kiihtyvyyden. Putoamiskiihtyvyys g ilmoittaa Maan gravitaatiokentän voimakkuuden. Maan gravitaatiokentän voimakkuus etäisyydellä r Maan keskipisteestä on sama kuin putoamiskiihtyvyyden suuruus tällä etäisyydellä.

Mustan aukon gravitaatiokenttä on niin voimakas, että se vetää kaiken materian sisäänsä. Maata kiertävässä avaruusaluksessa vallitsee ”painottomuus”, koska alus ja sen matkustajat ovat vapaassa putoamisliikkeessä. Alus ja matkustajat eivät kuitenkaan putoa Maan pinnalle, jos aluksen nopeuden suunta ja suuruus ovat sopivia. Painottomaksi sanotaan tilaa, jossa ei ole tukivoimaa. Painottomuus ei siis tarkoita, että kappaleeseen kohdistuva paino olisi nolla.

Mekaaninen energia gravitaatiokentässä

Aurinkokunnan mekaaninen energia on taivaankappaleiden liike-energiaa ja niiden välisten gravitaatiovuorovaikutusten potentiaalienergiaa. On sovittu, että äärettömän kaukana Auringon gravitaatiokentässä olevan kappaleen potentiaalienergia on nolla. Taivaankappaleen potentiaalienergia etäisyydellä r Auringosta saadaan määrittämällä työ, joka olisi tehtävä, jos taivaankappale siirrettäisiin tältä etäisyydeltä äärettömän kauas Auringosta. Gravitaation tekemä työ on negatiivinen, koska voima ja siirtymä ovat vastakkaisuuntaiset.