Na svako tijelo koje se nalazi u blizini Zemlje djeluje gravitacijska sila F, pod čijim će se uticajem, prema drugom Newtonovom zakonu, tijelo početi kretati ubrzano slobodan pad g. Dakle, u referentnom okviru povezanom sa Zemljom, na bilo koje tijelo mase m djeluje sila

P= m g,

pozvao gravitacije.

Prema osnovnom zakonu fizike - generalizovani Galilejev zakon, sva tijela u istom gravitacionom polju padaju sa istim ubrzanjem. Prema tome, na datom mjestu na Zemlji, ubrzanje slobodnog pada je isto za sva tijela. Ona varira u blizini površine Zemlje sa širinom u rasponu od

9.780 m/s 2 na ekvatoru do 9.832 m/s 2 na polovima. To je zbog dnevne rotacije Zemlje oko svoje ose, s jedne strane, i spljoštenosti Zemlje, s druge (ekvatorijalni i polarni poluprečnik Zemlje su 6378, odnosno 6357 km). Pošto je razlika u vrijednostima g je malo, ubrzanje slobodnog pada, koje se koristi u rješavanju praktičnih problema, pretpostavlja se da iznosi 9,81 m/s 2 .

Ako zanemarimo dnevnu rotaciju Zemlje oko svoje ose, tada su sila gravitacije i sila gravitacionog privlačenja jednake jedna drugoj:

P = mg=F=GmM/R 2 ,

gdje M - masa zemlje; R- udaljenost između tijela i centra zemlje. Ova formula je data za slučaj kada se tijelo nalazilo na površini Zemlje.

Neka se tijelo nalazi na visini h od površine Zemlje, r 0 - radijus zemlje, dakle

P=GmM/(R 0 +h) 2 ,

tj. gravitacija opada sa udaljenosti od Zemljine površine.

U fizici se također koristi koncept tjelesne težine. Vaganje tijela nazivamo silu kojom tijelo zbog gravitacije prema Zemlji djeluje na oslonac (ili ovjes) koji tijelo čuva od slobodnog pada. Težina tijela se pojavljuje samo ako se tijelo kreće drugim ubrzanjem od g, tj. kada na tijelo osim gravitacije djeluju i druge sile. Stanje tijela u kojem se ono kreće samo pod utjecajem gravitacije naziva se stanje bestežinsko stanje.

Na ovaj način, gravitacija uvek radi a težina pojavljuje se samo u tom slučaju, kada na tijelu osim sile gravitacije, postoje i druge sile zbog čega se tijelo kreće ubrzanjem različitom od g. Ako se tijelo kreće u Zemljinom gravitacijskom polju ubrzanjem a g, tada se na ovo tijelo primjenjuje dodatna sila N, zadovoljavajući uslov

N + P= m a.

Zatim telesna težina

R"=-N=P-m a=m g-m a= m( g-a),

tj. ako tijelo miruje ili se kreće pravolinijski i jednoliko, onda a=0 i P"= m g. Ako tijelo slobodno se kreće u gravitacionom polju na bilo kojoj stazi iu bilo kom pravcu, dakle a=g i R"= 0, tj. tijelo će biti bestežinsko. Na primjer, tijela koja se nalaze u svemirskim brodovima koji se slobodno kreću u svemiru su bestežinska.

§ 24. Gravitaciono polje i njegov intenzitet

Newtonov zakon gravitacije određuje ovisnost gravitacijske sile o masama tijela u interakciji i udaljenosti između njih, ali ne pokazuje kako se ta interakcija ostvaruje. Gravitacija pripada posebnoj grupi interakcija. Gravitacijske sile, na primjer, ne zavise od medija u kojem se nalaze tijela koja djeluju. Gravitacija takođe postoji u vakuumu.

Gravitaciona interakcija između tijela vrši se uz pomoć gravitaciona polja, ili gravitaciono polje. Ovo polje stvaraju tijela i predstavlja oblik postojanja materije. Glavno svojstvo gravitacionog polja je da svako tijelo mase m uneseno u ovo polje podliježe gravitacijskoj sili, tj.

F= m g. (24.1)

Vector g ne zavisi od m i naziva se jačinom gravitacionog polja. Jačina gravitacionog polja određena je silom koja djeluje iz polja na materijalnu tačku jedinične mase, a poklapa se u smjeru sa silom koja djeluje. Postoji napetost karakteristika snage gravitacionih polja.

Gravitaciono polje se zove homogena ako je njegov intenzitet isti u svim tačkama, i centralno, ako su u svim tačkama polja vektori intenziteta usmereni duž pravih linija koje se seku u jednoj tački (A) nepomično u odnosu na bilo koji inercijski referentni okvir (slika 38).

Za grafički prikaz polja sila koriste se linije sile (linije napetosti). Linije polja su odabrane tako da vektor jačine polja djeluje tangencijalno na liniju polja.

Isaac Newton je sugerirao da između bilo kojeg tijela u prirodi postoje sile međusobne privlačnosti. Ove sile se zovu sile gravitacije ili snage gravitacije . Sila neumoljive gravitacije manifestuje se u svemiru, Solarni sistem i na Zemlji. Newton je generalizovao zakone kretanja nebeskih tijela i otkrio da je sila jednaka:

,

Gdje su i su mase tijela u interakciji, udaljenost između njih je koeficijent proporcionalnosti, koji se naziva gravitaciona konstanta. Numeričku vrijednost gravitacijske konstante eksperimentalno je odredio Cavendish, mjereći silu interakcije između olovnih kuglica. Kao rezultat toga, zakon univerzalne gravitacije zvuči ovako: između bilo koje materijalne tačke postoji sila uzajamnog privlačenja, direktno proporcionalna proizvodu njihovih masa i obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti između njih, koja djeluje duž linije koja spaja ove tačke.

Fizičko značenje gravitacione konstante proizlazi iz zakona univerzalne gravitacije. Ako je , , onda , tj. gravitaciona konstanta je jednaka sili kojom se privlače dva tijela od po 1 kg na udaljenosti od 1 m. Numerička vrijednost: . Sile univerzalne gravitacije djeluju između bilo kojeg tijela u prirodi, ali postaju opipljive pri velikim masama (ili ako je barem masa jednog od tijela velika). Zakon univerzalne gravitacije ispunjen je samo za materijalne tačke i kuglice (u ovom slučaju kao rastojanje se uzima rastojanje između centara kuglica).

Posebna vrsta univerzalne gravitacione sile je sila privlačenja tijela na Zemlju (ili na drugu planetu). Ova sila se zove gravitacije. Pod dejstvom ove sile sva tela dobijaju ubrzanje slobodnog pada. Prema drugom Newtonovom zakonu, dakle, . Sila gravitacije je uvijek usmjerena prema centru Zemlje. U zavisnosti od visine iznad Zemljine površine i geografska širina položaja tijela, ubrzanje slobodnog pada poprima različite vrijednosti. Na površini Zemlje iu srednjim geografskim širinama, ubrzanje slobodnog pada je jednako .

U tehnologiji i svakodnevnom životu, koncept tjelesne težine se široko koristi. Tjelesna težina je sila kojom tijelo pritiska na oslonac ili ovjes kao rezultat gravitaciono privlačenje na planetu (slika 5). Tjelesna težina je naznačeno. Jedinica težine je njutn (N). Od težine jednaka snazi, sa kojim tijelo djeluje na oslonac, tada je, u skladu sa trećim Newtonovim zakonom, težina tijela jednaka po veličini sili reakcije oslonca. Stoga, da bismo pronašli težinu tijela, potrebno je odrediti koliko je jednaka sila reakcije oslonca.

Razmotrimo slučaj kada se tijelo zajedno sa osloncem ne kreće. U ovom slučaju, sila reakcije oslonca, a samim tim i njegovog tijela jednaka je sili gravitacije (slika 6):

U slučaju da se tijelo kreće okomito prema gore, zajedno s osloncem, uz ubrzanje, prema drugom Newtonovom zakonu, možemo napisati (Sl. 7, a).

Projektovano na osu : , odavde .

Stoga, pri kretanju okomito prema gore uz ubrzanje, težina tijela se povećava i nalazi se po formuli .

Povećanje tjelesne težine uzrokovano ubrzanim kretanjem oslonca ili ovjesa naziva se preopterećenja. Efekat preopterećenja astronauti doživljavaju kao prilikom poletanja svemirska raketa, te kada brod uspori pri ulasku u guste slojeve atmosfere. Piloti takođe doživljavaju preopterećenja prilikom izvođenja akrobatike, a vozači automobila prilikom snažnog kočenja.

Ako se tijelo pomiče vertikalno prema dolje, onda koristeći slično razmišljanje, dobivamo ; m g - N = m a ; ; , tj. težina pri kretanju okomito uz ubrzanje bit će manja od sile gravitacije (slika 7, b).

Ako tijelo slobodno pada, onda u ovom slučaju .

Stanje tijela u kojem je njegova težina nula naziva se bestežinsko stanje. Stanje bestežinskog stanja uočava se u avionu ili svemirskom brodu kada se kreće ubrzanjem slobodnog pada, bez obzira na smjer i vrijednost brzine njihovog kretanja. Izvan zemljine atmosfere kada je isključen mlazni motori na svemirski brod deluje samo gravitaciona sila. Pod dejstvom ove sile svemirski brod i sva tela u njemu kreću se istim ubrzanjem, pa se u brodu posmatra stanje bestežinskog stanja.