출처: 케트론 미첼 윈, 박사, 아산타 쿠레이, 박사, 물리학 및 천문학, 물리 과학 학교, 캘리포니아 대학, 어바인, 캘리포니아
전설에 따르면 아이작 뉴턴은 나무에서 사과가 떨어지는 것을 보았다고 합니다. 그는 사과의 가속을 발견하고 사과에 작용하는 힘이 있었을 것이라고 추론했다. 그런 다음 중력이 나무 꼭대기에서 행동할 수 있다면 더 먼 거리에서 행동할 수도 있다고 추측했다. 그는 달의 움직임과 행성의 궤도를 관찰하고 결국 중력의 보편적 인 법칙을 공식화했다. 법에 따르면 우주의 모든 입자는 질량의 제품에 비례하고 그들 사이의 거리의 제곱에 반비례하는 힘으로 다른 모든 입자를 끌어 들인다고 명시되어 있습니다. 이 힘은 두 입자에 결합하는 선을 따라 작동합니다.
지구 중력으로 인해 지구 표면의 가속 물체인 중력 가속 g가 이 실험실에서 측정됩니다. 지구 표면의 물체에 중력의 크기를 설명하기 때문에 이 값을 정확하게 아는 것은 매우 중요합니다.
두 질량 m1과m 2사이의 중력력 F는 거리 r로분리된 질량 중심을 다음과 같이 기록할 수 있습니다.
F = Gm1 m2/ r2 r^,(방정식 1)
여기서^ 힘의 방향을 안쪽으로 가리고 있음을 나타낸다. 다음 설명은 지구 사이의 중력과 표면에 질량 m의 물체를 조사할 것입니다. 뉴턴의 두 번째 법칙을 사용하여, F = ma,지구의 중력으로 인해 질량 m의 힘은 다음과 같이 기록 될 수있다 :
mA = Gm mE /r 2 r^, (방정식 2)
여기서 G는 실험적으로 측정된 비례성의 보편적 상수이고 mE는 지구의 질량이다. 이러한 맥락에서, 가속 벡터는 전형적으로 스칼라 g로표시되며, 내재된 방향이 지구 의 중심을 향해 안쪽으로, 내재된 방향으로 표시된다. 지상에 서 있는 사람들에게 이 방향은 단순히 “다운”이라고 합니다. 방정식의 양쪽에 질량 m을 취소; g를 대체하여 그리고 물체의 질량 중심 사이의 거리가 지구반경, r E,하향 힘의 크기를 다음과 같이 다시 작성할 수 있음을 주목하십시오.
g = G ME / r2E. (3)
나무에서 떨어지는 사과의 유명한 예에서, 지구는 그것을 떨어지게하기 위해 사과에 힘을 발휘하고, 사과는 방정식 에 의해 주어진 지구에 동등하고 반대의 힘을 발휘하고있다 1. 지구가 본질적으로 지구상의 사과의 힘에 의해 영향을받지 않는 이유는 지구의 질량이 사과보다 훨씬 더 크다는 것입니다. 더 큰 오브젝트의 경우 가속을 위해 더 큰 힘이 필요합니다. 따라서 사과는 지구가 아니라 지구를 향해 사과쪽으로 떨어집니다. 마찬가지로, 지상에 서있는 사람들을 위해, 지구는 사과보다 그들에 더 큰 힘을 발휘하고있다. 사람들은 지구상에서 동등하고 반대의 힘을 발휘합니다. 다시 말하지만, 지구는 사람보다 훨씬 더 거대하기 때문에, 중력은 사람, 또는 많은 사람들이 지구에 미치는 것은 본질적으로 주목받지 못합니다.
이 랩은 방정식 3에주어진 가속 g를측정하는 방법을 보여줍니다. 이 방정식의 오른쪽에 있는 모든 수량이 알려져 있기 때문에 g의 측정값은 제품과 비교할 수 있습니다. g 및 G의 값은 실험에서 9.8 m/s2 및 6.67 x 10-11 Nm2/kg 2로알려져있다.
이 실험실의 경우 공이 떨어지며 볼이 알려진 거리를 이동하는 데 걸리는 시간이 측정됩니다. 운동학에서 거리 y는 다음과 같이 기록할 수 있습니다.
y =y 0 + v0t + 1/2 a t2. (방정식4)
공이 나머지에서 떨어지고 가속a가 중력 가속일 뿐이라면 다음과 같은 가속도만 있으면 됩니다.
y-y0 = 1/2 g t2. (수학식 5)
동등:
g = 2d /t2,(방정식 6)
어디 d = y – y0은 이동 총 거리입니다. G는 이제 실험적으로 결정됩니다.
1. 지구 표면에서 중력의 가속을 측정합니다.
보편적 중력의 법칙은 대중 사이의 매력의 힘을 이해하기 위해 아이작 뉴턴에 의해 노력의 년의 절정이었다.
전설에 따르면, 뉴턴이 나무에서 사과가 떨어지는 것을 보았을 때 그는 힘이 사과를 지구로 끌어야 한다고 추론했다. 이 힘이 나무 꼭대기에서 행동할 수 있다면 더 먼 거리에서 행동할 수 있습니다. 당시 그는 달과 행성의 궤도를 연구하고 있었고, 결국 그들의 움직임을 설명하기 위해 보편적 중력의 법칙을 공식화했다.
뉴턴의 보편적 중력법칙에 따르면 우주의 모든 입자는 질량의 제품에 비례하는 힘으로 다른 모든 입자를 끌어들이고 그 사이의 거리의 제곱에 반비례한다고 명시되어 있습니다.
이 비디오는 중력으로 인한 가속을 실험적으로 측정하고 중력을 정의하는 방정식의 이론적 값과 비교하는 방법을 보여줍니다.
실험을 탐구하기 전에, 보편적 중력의 법칙 뒤에 원리를 살펴 보자. 달에 지구의 중력은 크기가 같고 지구상의 달의 힘에 반대합니다. 이 힘 FG는 질량의 중심에 합류 라인을 따라 작동합니다.
중력의 법칙에 따르면, FG는 G와 같습니다 – 보편적 인 중력 상수,질량의 중심 사이의 거리인 r의사각형으로 나누어 두 질량의 제품.
이 표현을 사용하면 지구가 근거또는 표면을 포함하여 모든 거리에서 물체에 가해지는 중력력을 계산할 수 있습니다. 사과가 나무에서 떨어지는 경우, 사과의 질량이 m이고지구의 질량은 mE이고 반경은 rE라고 가정해 봅시다.
뉴턴의 두 번째 동작 법칙에 따르면 강제는 질량 시간 가속과 같습니다. 사과에 적용된 이 방정식과 중력의 법칙을 결합하면 양쪽에서 사과의 질량 m을 취소할 수있습니다. 이러한 맥락에서 가속은 일반적으로 문자 로 표시됩니다.
지금, 사과에 중력은 보편적 인 중력의 법칙에 의해 부여되지만, 운동의 두 번째 법칙에서,이 힘은 또한 mg으로표현 될 수있다. 우리가 지구와 달의 예와 함께 이전에 보았듯이, 사과에 지구의 힘은 지구에 사과의 힘과 동일합니다. 그런데 왜 우리는 사과가 지구를 향해 떨어지는 것을 볼 수 있을까요? 왜 우리는 지구가 사과를 향해 움직이는 것을 볼 수 있지 않습니까?
뉴턴의 두 번째 운동 법칙을 되돌아보면, 가속이 질량으로 나누어진 힘과 동일하다는 것을 보여주기 위해 재배열할 수 있습니다. 즉, 주어진 힘 가속이 질량에 반비례하기 때문에. 지구는 사과보다 훨씬 더 거대하기 때문에 지구를 사과쪽으로 가속하는 것은 미미하고 본질적으로 감지할 수없습니다. 그래서 사과가 나무에서 떨어집니다.
g의중력 방정식으로 돌아가는 것은, 오른쪽의 모든 값(보편적 중력 상수, 지구의 질량 및 지구 반경)이 지구 표면에 가까운 물체로 알려져 있기 때문에 g의 크기는 초당 9.8m인 표준 값이기도 합니다.
그러나 이 값은 알려진 높이에서 공을 떨어뜨리고 운동 방정식을 적용하기만 하면 실험적으로 계산할 수 있습니다. 그리고 우리는 다음 섹션에서 그렇게하는 방법을 보여줍니다.
이 실험은 금속 공, 미터 스틱, 공이 정지되는 센서 하나, 공이 착륙하는 또 다른 센서, 센서 1개, 클램프 1개 및 막대 스탠드 1개모두에 연결된 타이머를 사용합니다. 먼저 클램프를 사용하여 테이블 표면에서 적어도 0.5미터 높이에 볼 센서를 막대에 부착합니다. 그런 다음 두 번째 센서를 제1 센서 바로 아래에 놓습니다.
다음으로 상단 센서와 하단 센서 사이의 거리를 측정합니다. 거리는 공의 바닥에 대하여 측정되어야 합니다.
이제 센서에서 공을 놓아 하부 센서에 떨어지며 시간을 기록합니다.
이 절차를 다섯 번 반복한 다음 평균 가을 시간을 계산합니다.
이 컬렉션의 운동 정보 비디오에서 이 공식은 일정한 가속을 가진 오브젝트의 1차원 모션의 위치를 설명합니다.
우리는 지구의 중력을 다루고 있기 때문에,이 경우 가속은 중력, 또는 g로인한 가속이다. 그리고 공이 떨어지기 전에 쉬었기 때문에 초기 속도는 0입니다. 따라서 초기 위치를 방정식의 다른 쪽으로 이동하면 왼쪽은 Y 마이너스 y0이되며, 이는 d에 불과합니다. 이제 g에대한 방정식을 다시 정렬할 수 있습니다.
이 실험의 경우 d는 0.72m였고 평균 자유 낙하 시간은 0.382초였습니다. 그 결과 실험적인 중력 가속은 초당 9.9미터제곱입니다. 실험과 이론은 뉴턴의 우주 중력법칙이 중력의 매력에 대한 아주 좋은 설명임을 나타내는 약 1%에 의해서만 다릅니다.
중력의 보편적 인 법칙은 엔지니어링의 다른 지점에 의해 수행 계산에 관여한다.
정적이라는 기계 공학의 분기는 교량과 같은 고정 된 물체의 힘에 관한 것입니다. 교량을 설계하는 엔지니어는 작업 전반에 걸쳐 정적, 특히 방정식 F = mg을 사용하여 구조적 하중을 분석합니다.
NASA 중력 매핑 임무는 두 개의 동일한 위성-하나의 선도, 또 다른 후행 궤도 지구를 함께 사용합니다. 주요 위성이 얼음 캡이나 다른 질량 농도를 통과할 때, 상대적으로 더 큰 매력력으로 인해 가속됩니다. 후행 위성은 같은 영역을 통과할 때 비슷한 가속을 경험합니다.
범위 시스템은 거리 사이의 이동 방식과 위치를 측정하여 지구 주위의 질량 농도 분포에 대한 정보를 제공합니다.
당신은 단지 보편적 인 중력의 뉴턴의 법칙에 조브의 소개를 보았다. 이제 두 질량 사이의 중력력을 결정하는 방법을 알고 지구 표면의 중력력으로 인해 가속도를 계산하는 방법을 이해해야 합니다. 시청해 주셔서 감사합니다!
실험 절차에서 측정된 g의 값은 표 1에도시된다. 1.4 단계의 자유 낙하 시간은 표 1의첫 번째 열에 기록됩니다. 그런 다음 측정된 g 값은 방정식 6을사용하여 계산됩니다. 이 값의 정확도는 다음 값을 사용하여 방정식 3에서 계산된 g값과 비교하여 확인할 수 있습니다: G = 6.67 x 10-11 m3kg-1s-2, mE = 5.98 x 1024kg, rE = 6.38 x 103 km. 이 비교는 표 1에 백분율 차이가 있는 것으로 표시됩니다. 백분율 차이는 다음과 같이 계산됩니다.
| 측정값 – 예상 값 | / 예상 값. (방정식7)
낮은 백분율 차이는 뉴턴의 보편적 중력법칙이 중력에 대한 아주 좋은 설명임을 나타냅니다.
표 1. 결과.
자유 낙하 시간 (들) | 측정 된 g | 계산된 g | % 차이 |
0.45 | 9.88 | 9.79 | 0.9 |
이동하지 않는 오브젝트에 대한 힘 분석과 관련된 역학의 분기를 정적이라고 합니다. 건물과 교량을 구성하는 엔지니어는 정적을 사용하여 구조물의 하중을 분석합니다. 방정식 F = mg이 이 분야에서 사용되므로 이 경우 정확한 g 측정이 매우 중요합니다. 뉴턴의 보편적 중력법칙은 NASA가 태양계를 탐사하는 데 사용됩니다. 그들은 화성과 그 너머에 프로브를 보낼 때, 그들은 정확도의 매우 높은 수준으로 우주선 궤적을 계산하기 위해 중력의 보편적 인 법칙을 사용합니다. 일부 과학자들은 무중력 환경에서 실험을 하는 데 관심이 있습니다. 이를 달성하기 위해 국제 우주 정거장의 우주 비행사들은 실험을 수행합니다. 우주 정거장은 중력의 보편적 인 법칙에 대한 우리의 이해 때문에 지구 주위의 안정적인 궤도에 있습니다.
이 실험에서 지구 표면에 있는 물체의 중력 가속을 측정하였다. 미터 스틱에 두 개의 타이밍 게이트가 부착된 공을 사용하여 공이 나머지 에서 1m를 이동하는 데 걸린 시간을 측정했습니다. 운동 방정식을 사용하여 가속 g가 계산되어 9.8 m/s2의허용값에 매우 가깝습니다.
The Law of Universal Gravitation was the culmination of years of effort by Isaac Newton to understand the force of attraction between masses.
According to legend, when Newton saw an apple dropping from a tree he deduced that a force must draw the apple to the Earth. If this force could act at the top of a tree, it could act at even greater distances. At the time, he was studying the orbits of the moon and planets and eventually formulated the law of universal gravitation to explain their motion.
Newton’s law of universal gravitation states that every particle in the universe attracts every other particle with a force proportional to the product of their masses and inversely proportional to the square of the distance between them.
This video will show how to experimentally measure the acceleration due to gravity and compare it to the theoretical value from the equation defining gravitational force.
Before delving into the experiment, let’s examine the principles behind the Law of Universal Gravitation. The gravitational force of the Earth on the moon is equal in magnitude and opposite in direction to the force of the moon on the Earth. This force FG acts along the line joining their centers of mass.
According to the law of gravity, FG equals G – the universal gravitational constant, times the product of the two masses, divided by the square of r, which is the distance between their centers of mass.
With this expression, it is possible to calculate the gravitational force Earth exerts on an object at any distance, including near or at its surface. In the case of the apple falling from a tree, let’s say that the apple’s mass is m, the Earth’s mass is mE and the radius is rE.
Newton’s second law of motion states that force equals mass times acceleration. If we combine this equation, applied to the apple, with the law of gravity, we can cancel the apple’s mass m from both sides. In this context, acceleration is typically denoted by the letter g
Now, the gravitational force on the apple is given by the Law of Universal Gravitation, but from the second law of motion, this force may also be expressed as mg. As we saw earlier with the Earth and moon example, the force of the Earth on the apple is the same as the force of the apple on the Earth. But why do we only see the apple fall toward the Earth? Why do we not see the Earth move toward the apple?
If we look back at Newton’s second law of motion, we can rearrange it to show that acceleration is equal to force divided by mass. That is, for a given force acceleration is inversely proportional to mass. Because the Earth is so much more massive than the apple, the acceleration of the Earth toward the apple is insignificant and essentially undetectable. And that’s why the apple falls from the tree.
Going back to the gravitation equation for g, since all the values on the right hand side – the universal gravitational constant, the mass of the earth and the radius of the earth — are known for an object close to earth’s surface, the magnitude of g is also standard value, which is 9.8 meters per second squared.
However, this value can be calculated experimentally simply by dropping a ball from a known height and applying the kinematical equations. And we will demonstrate how to do that in the following sections.
This experiment uses a metal ball, a meter stick, one sensor from which the ball will be suspended, another sensor on which the ball will land, one timer connected to both sensors, one clamp, and one rod-stand. First, use the clamp to attach the ball sensor to the rod, at least 0.5 meters above the surface of the table. Then, place the second sensor directly below the first sensor.
Next, measure the distance between the top and bottom sensors. The distance should be measured with respect to the bottom of the ball.
Now, release the ball from the sensor so it falls onto the lower sensor and record the time.
Repeat this procedure five times and then calculate the average fall time
From the kinematics video in this collection, we know that this formula describes position in one-dimensional motion of an object with constant acceleration.
Since we are dealing with Earth’s gravitation, the acceleration in this case is the acceleration due to gravity, or g. And the initial velocity is zero, since the ball was at rest before the drop. So if we move the initial position to other side of the equation, the left side becomes y minus y0, which is nothing but d – the distance between the initial and final measure point. Now we can rearrange the equation for g.
For this experiment, d was 0.72 meters and the average free fall time was 0.382 seconds. The resulting experimental gravitational acceleration is 9.9 meters per second squared. Experiment and theory differ only by about 1%, which indicates that Newton’s Law of Universal Gravitation is a very good description of gravitational attraction.
The Universal Law of Gravitation is involved in calculations performed by different branches of engineering.
The branch of mechanical engineering called statics is concerned with the forces on stationary objects, like bridges. Engineers designing bridges use statics, and especially the equation F = mg, throughout their work to analyze structural loads.
A NASA gravity-mapping mission uses two identical satellites-one leading, another trailing-orbiting Earth together. When the leading satellite passes over an ice cap or other mass concentration, it accelerates due to relatively larger force of attraction. The trailing satellite experiences similar acceleration when it passes over the same area.
A ranging system measures how and where the distance changes between them, providing information about the distribution of mass concentrations around the Earth.
You’ve just watched JoVE’s introduction to Newton’s law of universal gravitation. You should now know how to determine the gravitational force between two masses, and understand how to calculate the acceleration due to the force of gravity at the Earth’s surface. Thanks for watching!
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