В физике g равно: Что в физике означает g? Закон Всемирного тяготения, ускорение свободного падения и вес тела

Что в физике означает g? Закон Всемирного тяготения, ускорение свободного падения и вес тела

Для того чтобы в физике удобно было работать с различными величинами, используют их стандартные обозначения. Благодаря ним каждый с легкостью может запомнить многие важные формулы для тех или иных процессов. В данной статье рассмотрим вопрос, что в физике означает g.

Явление гравитации

Чтобы понять, что в физике означает g (в 7 классе общеобразовательных школ проходят эту тему), следует познакомиться с явлением гравитации. В конце XVII века Исаак Ньютон опубликовал свой знаменитый научный труд, в котором сформулировал основные положения механики. В этом труде особое место он выделил для так называемого закона Всемирного тяготения. Согласно нему все тела, которые обладают конечной массой, притягиваются друг к другу независимо от расстояния между ними. Сила притяжения между телами с массами m1, m2 вычисляется по следующей формуле:

F = G*m1*m2/r2.

Здесь G – универсальная гравитационная константа, r – расстояние между центрами масс тел в пространстве. Сила F называется гравитационным взаимодействием, которое, как и кулоновское, убывает с квадратом расстояния, однако в отличие от кулоновского гравитация носит только притягивающий характер.

Ускорение свободного падения

Название этого пункта статьи является ответом на вопрос, что означает буква g в физике. Используют ее потому, что с латинского языка слово “гравитация” будет gravitas. Теперь осталось понять, что такое свободного падения ускорение. Чтобы это сделать, рассмотрим, какая сила действует на каждое тело, находящееся вблизи поверхности Земли. Пусть тело имеет массу m, тогда получаем:

F = G*m *M /R2 = m*g, где g = G*M/R2.

Здесь M, R – масса и радиус нашей планеты. Отметим, даже если тело находится на некоторой высоте h над поверхностью, то эта высота намного меньше величины R, поэтому в формуле ее можно не учитывать. Рассчитаем величину g:

g = G*M/R2 = 6,67*10-11*5,972*1024/(6371000)2 = 9,81 м/c2.

Что в физике означает g? Ускорение g – это такая величина, на которую увеличивается скорость совершенно любого тела, падающего свободно на поверхность Земли. Из вычислений следует, что прирост к скорости за каждую секунду падения составляет 9,81 м/c (35,3 км/ч).

Обратим внимание, что величина g от массы тела не зависит. В действительности же можно заметить, что более плотные тела падают быстрее менее плотных. Происходит это потому, что на них действуют разные силы сопротивления воздуха, а не разная сила тяжести.

Формула выше позволяет определить g не только для нашей Земли, но и для любой другой планеты. Например, если в нее подставить массу и радиус Марса, то получим величину 3,7 м/с2, что почти в 2,7 раза меньше, чем для Земли.

Вес тела и ускорение g

Выше мы рассмотрели, что в физике означает g, также выяснилось, что это ускорение, с которым все тела падают в воздухе, а также g является коэффициентом при вычислении силы тяжести.

Рассмотрим теперь ситуацию, когда тело находится в состоянии покоя, например, стакан стоит на столе. На него действуют две силы – тяжести и реакции опоры. Первая связана с гравитацией и направлена вниз, вторая обусловлена упругостью материала стола и направлена вверх. Стакан не взлетает вверх и не проваливается сквозь стол только потому, что обе силы друг друга уравновешивают. В данном случае сила, с которой тело (стакан) давит на опору (стол) называется весом тела. Очевидно, что выражение для него примет вид:

P = m*g.

Вес тела величина непостоянная. Записанная выше формула справедлива для состояния покоя или равномерного движения. Если же тело перемещается с ускорением, то его вес может, как возрастать, так и уменьшаться. Например, вес космонавтов, которых ракета-носитель выводит на околоземную орбиту, увеличивается в несколько раз во время старта.

Ускорение свободного падения, теория и онлайн калькуляторы

Ускорение свободного падения, теория и онлайн калькуляторы

Определение ускорения свободного падения

Определение

Ускорением свободного падения называют ускорение, которое телу придает сила тяжести, если другие силы на рассматриваемое тело не действуют или их действие взаимно компенсируется. 2}при\ r\ge R. \end{array} \right.\ \]

Читать дальше: центростремительное ускорение.

236

проверенных автора готовы помочь в написании работы любой сложности

Мы помогли уже 4 396 ученикам и студентам сдать работы от решения задач до дипломных на отлично! Узнай стоимость своей работы за 15 минут!

Что такое г? Ускорение?

Резюме: Термин g основан на гравитации.

У НАСА было определение g в их словаре технических терминов для аэрокосмического использования 1965 года:

г или G

Ускорение, равное ускорению свободного падения, 980,665 сантиметра в секунду в квадрате, примерно 32,2 фута в секунду. секунда в секунду на уровне моря; используется как единица измерения напряжения для тел, подвергающихся ускорению. Видеть ускорение свободного падения; сила тяжести.

ускорение свободного падения (символ g)

По международной формуле гравитации g = 978,0495 [1 + 0,0052892 sin2(p) – 0,0000073 sin2 (2p)] сантиметров в секунду. в квадрате на уровне моря на широте р. Смотрите гравитацию. Стандартное значение силы тяжести или нормальная сила тяжести, г, определяется как go = 980,665 сантиметра на секунду в квадрате, или 32,1741 фута на секунду в квадрате. Это значение близко соответствует Значение g по международной формуле силы тяжести на 45 градусах широты на уровне моря.

и еще один в новой публикации, этот еще доступно в Интернете:

Ускорение

Упавший объект начинает свое падение довольно медленно, но затем неуклонно увеличивает свою скорость — ускоряется — с течением времени на. Галилей показал, что (пренебрегая сопротивлением воздуха) тяжелые и легкие тела ускоряются с одинаковой постоянной скоростью. падали, то есть их скорость (или «скорость») увеличивалась с постоянной скоростью. Скорость мяча, упавшего с высоты место увеличивается каждую секунду на постоянную величину, обычно обозначаемую маленькой буквой g (для гравитации).

В современных единицах (используя соглашение алгебры, что символы или числа, стоящие рядом друг с другом, понимаются как умноженные) его скорость равна

в начале — 0 (ноль)
через 1 секунду — g метров в секунду
через 2 секунды — 2 г м/сек
через 3 секунды — 3g м/сек

и так далее. На это влияет сопротивление воздуха, которое становится важным при более высоких скоростях и обычно устанавливает верхний предел (“предельная скорость”) скорости падения – гораздо меньший предел для того, кто использует парашют, чем падение без.

Число g близко к 10, точнее, 9,79 на экваторе, 9,83 на полюсе и промежуточные значения в между-и известен как “ускорение свободного падения”. Если скорость увеличивается на 9,81 м/с каждую секунду (хорошее среднее значение), g считается равным «9,81 метра в секунду за секунду» или, короче, 9,81 м/с2.

Понял?

Говоря простым языком, g — это сила тяжести, с которой земля действует на вас, когда вы падаете. Космонавты летают рядом ноль гравитации, когда они поднимаются на орбиту. Вы испытываете 1 г за всю свою жизнь на земле, кроме карнавальных аттракционов. где вы плаваете, и ваш желудок переворачивается вверх дном. Или вы можете столкнуться с гораздо, гораздо большим, чем одно g, когда вы падаете и ударяетесь твоя голова.

Так как вы падаете под действием силы тяжести, а гравитация на земле постоянна, вы знаете, как сильно вы собираетесь удариться когда падаешь с двух метров без скорости вперед. Это около 14 миль в час, и это падение использовалось в лаборатории для проверки велосипедных шлемов на удар о плоские поверхности в соответствии со стандартом CPSC США. (У нас есть расчеты скорости на другой странице.) Скорость вперед может немного добавить к этому, но не сильно, если ваш шлем скользит по асфальту так, как должен, и не зацепляется. Если он заедает, все ставки сняты, так как лабораторные тесты показывают, что результатом может быть больше перегрузок для мозга, а также нагрузка на шею.

Это почему вы увидите, как мы подчеркиваем, что внешняя сторона шлема должна быть круглой и гладкой, чтобы хорошо скользить по асфальту.

Без шлема удар по голове может передать мозгу тысячу или более g примерно за две тысячных доли секунды. во-вторых, когда вы резко, очень внезапно останавливаетесь на твердом, совершенно неподатливом асфальте. Со шлемом между вами а тротуар на вашей остановке растягивается примерно на семь-восемь тысячных секунды из-за сокрушения пена для шлема. Эта небольшая задержка и растяжение энергетического импульса могут сделать разницу между жизнью и смерть или черепно-мозговая травма.

Шлемы не “поглощают” энергию. Ничего не происходит. Закон сохранения энергии гласит, что шлем может преобразовывать энергию на работу или на другую форму энергии, но не может ее поглотить. Вот почему мы называем шлемы «управляющими» энергией удара. а не поглощать его.

Наряду с растяжением от удара шлем изменяет небольшое количество энергии удара на тепло, т.

к. молекулы пены движутся при дроблении пены. Чтобы проверить это на себе, возьмите кусок поролона для кулера для пикника. на твердую поверхность и ударить по ней молотком. Вмятина, которую сделает молоток, будет теплой на ощупь. И сокрушительная пена конечно работа.

Итак, при прочих равных условиях (красный флаг, в реальной жизни их никогда не бывает!) более толстый шлем может остановить вас более постепенно, чем тонкий. У него просто больше расстояние, чтобы остановить вашу голову. (дюйм, может быть, против половины дюйма). И пена в более тонкий шлем должен быть более прочным, чтобы не быть полностью раздавленным при сильном ударе. Так что в более мягком удар он может вообще не раздавить. Для более мягкой посадки в полном диапазоне ударов вам нужен шлем с менее плотным пена и больше толщины. Но попробуйте найти это на рынке! Все становится еще сложнее, когда дизайнер решает, что гонщик будет платить больше за большие вентиляционные отверстия

и более тонкий шлем. Эти большие вентиляционные отверстия уменьшают количество пены в шлеме и требуют более жесткой пены в оставшихся местах. Так что иногда вы можете получить лучшее влияние защита от более дешевого шлема с более толстой пеной и меньшими вентиляционными отверстиями. Но иногда вы не можете, так как все вещи никогда не равны в реальном мире.

Заметка об “ускорении”. Жесткие физические типы, которые заполняют лаборатории шлемов и комитеты по стандартизации шлемов. настаивайте на использовании научно корректного термина ускорение для описания того, что происходит, когда голова ударяется о тротуар. Не замедление, как можно было бы ожидать, если вы говорите на простом английском языке. Таким образом, они будут писать свои описания как g ускорение головы относительно дорожного покрытия. Если вы не инженер, просто переведите это на замедление. Инженеры будут ухмыляться, но люди всегда вас поймут.

Чтобы узнать больше о дизайне шлема, у нас есть страница, посвященная идеальному шлему.

Подробнее о g см. в учебнике по физике.

Ньютоновская постоянная тяготения — постоянная, которую слишком сложно измерить? Введение

Общепринято, что величина силы, притягивающей два сферических тела с массой M 1 и M 2, , разделенных расстоянием r , определяется законом всемирного тяготения Ньютона

Константа G определяет силу ньютоновского закона обратных квадратов в конкретной системе физических единиц и, что неудивительно, известна как ньютоновская гравитационная постоянная. Считается фундаментальной константой природы. Текущее значение для

G в рекомендуемых значениях фундаментальных физических констант CODATA 2010 г. является наилучшей оценкой с учетом доступных на тот момент экспериментальных результатов [1] и составляет G =6,67384(80)×10 −11 9 .0082  кг −1  м 3  с −2 . Текущий разброс значений приближается к 0,05% (или 500 частей на миллион), что более чем в 10 раз превышает погрешность каждого измерения, и поэтому получается, что мы знаем G только до трех значащих цифр! Это очень плохо по сравнению с другими физическими константами, многие из которых имеют погрешность порядка частей в 10
8
, а константа Ридберга, определяющая электронную структуру атомов, имеет погрешность всего в четыре части в 10 12 .

Почему G так малоизвестно, почему недавние эксперименты дали столь разные результаты и как нам теперь действовать, чтобы решить проблему? Эти вопросы обсуждались на собрании, состоявшемся 27 и 28 февраля 2014 г., материалы которого были представлены в этом выпуске Philosophical Transactions A .

В настоящее время гравитация занимает особое место в физике, поскольку это единственное взаимодействие, которое не может быть описано квантовой теорией. Закон Ньютона рассматривается как приближение к общей теории относительности Эйнштейна, и обе теории рассматривают пространство и время как непрерывные классические величины, тогда как теории, описывающие электромагнетизм и ядерные силы, основаны на сохраняющихся квантах. Гравитация также является самой слабой силой. Прямым следствием этого является то, что энергия, при которой все силы имеют сравнимую силу, близка к так называемому масштабу Планка, который примерно на 15 порядков выше, чем энергии, которые в настоящее время исследуются Большим адронным коллайдером. Этот факт ставит под сомнение обоснованность стандартной модели физики элементарных частиц, поскольку считается, что эта теория не может быть стабильной при наличии такого огромного масштаба фундаментальной энергии. С другой стороны, наша уверенность в ньютоновской и эйнштейновской гравитации основана на тщательно контролируемых экспериментах. Универсальность свободного падения является эмпирической основой теории гравитации Эйнштейна и утверждает, что свободное ускорение вещества в гравитационном поле не зависит от его химического состава. В лабораторных испытаниях универсальности свободного падения [2] и закона обратных квадратов Ньютона в масштабе менее 1 м [3] используются те же измерительные приборы и методы, что и при определении G , как мы опишем ниже. Однако для того, чтобы провести наиболее чувствительные тесты и облегчить метрологическое бремя, эти эксперименты продуманно спланированы таким образом, чтобы давать существенный сигнал только в том случае, если природа ведет себя не так, как искали экспериментаторы. В определениях G мы фактически должны измерять все соответствующие величины в физических единицах и атаковать метрологию в лоб.

Фактическое числовое значение G не имеет большого значения в физике: известно, что орбиты планет в нашей Солнечной системе точно следуют закону Ньютона. Например, орбитальное ускорение планеты вокруг Солнца определяется с высокой точностью произведением массы Солнца на Г . Таким образом, нахождение нового значения для G , большего, скажем, на 0,05% от приведенного в учебниках, просто уменьшает нашу оценку массы Солнца на эту величину. В настоящее время у нас нет моделей строения Солнца, которые эффективно ограничивали бы его массу на этом уровне.

Загадочности добавляет тот факт, что гравитация — это сила, наиболее знакомая нам, людям, живущим на Земле. Неудивительно, что сообщения в СМИ о существенных расхождениях между экспериментальными определениями значения постоянной гравитации Ньютона могут поразить общественное воображение, как это сделала публикация нашего результата в октябре 2013 г. [4].

В таком случае имеет значение не само фактическое значение G (плюс-минус процент или около того), а его неопределенность . Настоящая важность точности G , возможно, заключается в том, что в популярной культуре ее можно принять как меру того, насколько хорошо мы понимаем нашу самую знакомую силу: несоответствующие результаты могут означать какую-то новую физику или они могут демонстрировать, что мы не понимают метрологии измерения слабых сил. Из-за отсутствия теоретического понимания гравитации, как упоминалось ранее, существует множество респектабельных теорий, которые предсказывают нарушения закона обратных квадратов или нарушения универсальности свободного падения. На самом деле, все большее распространение получает мнение, что G не является действительно универсальным и может зависеть, например, от плотности материи в астрофизических масштабах. Неправильное понимание метрологии физики слабого взаимодействия может, в свою очередь, означать, что экспериментальные тесты, которые до сих пор установили закон обратных квадратов и универсальность свободного падения, имеют некоторые тонкие недостатки. Это создает потенциально захватывающую ситуацию и, возможно, объясняет общий интерес, проявленный к нашей, казалось бы, обыденной и кропотливой работе над G .

Во времена Ньютона и даже вплоть до девятнадцатого века понятия фундаментальной постоянной не существовало. Ньютон не выражал свой закон тяготения таким образом, который явно включал константу G , ее присутствие подразумевалось, как если бы она имела значение, равное 1. Только в 1873 году Корню и Бейли явно ввели символ для связи постоянной в законе тяготения Ньютона, на самом деле они назвали это f . Он не принял свое нынешнее обозначение G до 1890-х годов.

Развитие концепции фундаментальных констант было тесно связано с развитием систем физических единиц. Международная система единиц (СИ) с 2018 года будет основываться на фиксированных числовых значениях семи фундаментальных констант, включая скорость света и постоянную Планка, причем последняя является константой, фигурирующей в новом определении килограмма [5]. Не могли бы мы определить килограмм через G ? Например, килограмм – единица массы, его величина устанавливается путем фиксации числового значения G, равного 6,67384…×10 −11  кг −1  m 3  s −2 ровно . В принципе, мы могли бы это сделать, но проблема заключалась бы в том, что любое практическое измерение массы объекта с точки зрения его гравитационного притяжения к другому имело бы точность всего в несколько частей на 10 4 . Это примерно на четыре порядка меньше той точности, которая нам действительно нужна в наших стандартах массы. Почему это? Главный ответ заключается просто в том, что гравитация слишком слаба по шкале лабораторных масс, чтобы ее можно было измерить с требуемой точностью. Гравитационная сила между парой соприкасающихся медных сфер массой 1 кг составляет примерно одну тысячную миллионной доли веса каждой, т. е. примерно 10 −8   Н. Чтобы измерить эту силу, необходимо найти способ свести на нет подавляющую нисходящую силу гравитации, действующую на обе сферы.

Почти идеальное решение было найдено в конце восемнадцатого века преподобным Джоном Мичеллом, который изобрел крутильные весы. Уравновешивая два подвешенных шара, подвешенных на конце торсионного балансира (которые мы теперь называем испытательными массами) на длинной тонкой медной торсионной проволоке, он понял, что направленная вниз сила тяжести нейтрализуется, оставляя висящие шары чувствительными к боковая гравитационная сила, создаваемая двумя гораздо большими шарами (исходными массами), которые можно перемещать, чтобы вызвать положительное и отрицательное вращение баланса. Константа крутящего момента, c , проволоки можно найти, измерив период свободных колебаний (2 π / ω ) узла кручения и воспользовавшись простым соотношением c = 2 , где — момент инерции относительно вертикальной оси, представленной проволокой кручения. Аппарат был использован Генри Кавендишем после смерти Мичелла для измерения G . В его публикации 1798 года в мельчайших подробностях описывается, возможно, первый точный эксперимент в физике, а крутильные весы «Кавендиша» были одним из самых значительных элементов физического устройства, когда-либо изобретенных. В сборнике опубликованных работ по измерению гравитационной постоянной Гиллис [6] перечислил около 350 работ, почти все из которых относятся к работам, выполненным на крутильных весах. Среди дюжины или около того экспериментов, проведенных за последние 30 лет, все, кроме двух или трех, были проведены на крутильных весах. Они были защищены не деревянными ящиками, как в случае с Кавендишем, а вакуумными камерами, но основной принцип отделения незначительной гравитационной силы от направленной вниз силы гравитации был изобретен Мичеллом.

В статьях этого номера представлены современные крутильные весы, а также новые методы измерения G , не основанные на крутильных весах. Общим для всех них является требование точного измерения массы, длины и времени (единицей измерения G является кг −1   м 3   с −2 ) и часто также угла, единицей которого, конечно же, является размерности 1. Ключом ко всей работе является оценка неопределенности, и в большинстве работ она занимает значительное место. Точно так же при оценке результатов, ведущих к оценке наилучшего значения, сравнительное исследование неопределенностей является центральной задачей рабочей группы CODATA по фундаментальным константам.

Результат обсуждения, последовавшего за представлением документов на собрании Королевского общества, был совершенно ясен и приводится в конце этого номера. Было ясно, что еще одно-два определения G отдельными группами не решат вопроса. Вместо этого требовались скоординированные международные усилия, в ходе которых будет проведено небольшое количество экспериментов, за каждым из которых будет в мельчайших подробностях следить международный консультативный совет, состоящий из тех, кто уже имел опыт такой работы.

1. Мор П.Дж., Тейлор Б.Н., Ньюэлл Д.Б. 2012. CODATA рекомендуемые значения фундаментальных физических констант: 2010. Rev. Mod. физ. 84, 1527–1605.

Оставить комментарий