GRAWITACJA. Definicja pojęcia - grawitacja, ciążenie powszechne
Ekologia.pl Wiedza Encyklopedia grawitacja
Definicja pojęcia:

grawitacja

Spis treści

Grawitacjaciążenie powszechne – jedno z czterech podstawowych oddziaływań fizycznych występujących w przyrodzie, którym podlegają wszystkie rodzaje materii wchodzące w skład Wszechświata (np. atomy, cząsteczki, przedmioty, organizmy żywe, woda, powietrzeciała niebieskie). Grawitacja, zgodnie z założeniami mechaniki klasycznej, polega na wzajemnym przyciąganiu się ciał obdarzonych masą lub energią, którego siła zależy od masy i odległości pomiędzy oddziałującymi ciałami (prawo powszechnego ciążenia Newtona). Klasyczna teoria grawitacji Newtona umożliwia opis słabych pól grawitacyjnych i ograniczonych przestrzennie rozkładów mas. We współczesnej fizyce opis silnych pól grawitacyjnych opiera się na ogólnej teorii względności Einsteina, w której grawitacja jest skutkiem zakrzywienia czasoprzestrzeni przez materię obecną we Wszechświecie. Grawitacja umożliwia życie na Ziemi, odpowiada za pływy morskie i oceaniczne, krążenie księżyców wokół planet i krążenie planet wokół Słońcaczarnych dziur.

Grawitacja jako podstawowe oddziaływanie w przyrodzie

Grawitacja, określana również mianem ciążenia powszechnego (łac. gravitas – ciężkość), jest jednym z czterech podstawowych oddziaływań fizycznych występujących w przyrodzie, obok oddziaływań elektromagnetycznych, silnych oddziaływań jądrowych i słabych oddziaływań jądrowych. Grawitacja jest uniwersalną siłę przyciągania, której podlegają wszystkie rodzaje materii wchodzącej w skład Wszechświata, czyli obiekty fizyczne obdarzone niezerową masą lub energią (np. atomy, jony, cząsteczki, przedmioty, organizmy żywe, woda, powietrze, ciała niebieskie). Grawitacja ma swój początek we wczesnej fazie rozwoju Wszechświata trwającej do 10-43 sekund po Wielkim Wybuchu, czyli tzw. erze Plancka charakteryzującej się wysokimi temperaturami i gęstością. Oddziaływania grawitacyjne oddzieliły się od innych oddziaływań podstawowych u schyłku tej ery wraz z ochładzaniem rozszerzającego się Wszechświata.

Grawitacja stanowi najsłabszą siłę znaną w przyrodzie, w związku z czym odgrywa znikomą rolę w oddziaływaniach pomiędzy cząstkami elementarnymi (np. protonami, neutronami, elektronami) i ciałami fizycznymi obdarzonymi niewielką masą (np. długopisem położonym na biurku). Grawitacja zyskuje jednak ogromnie na znaczeniu w przypadku oddziaływania ciał o bardzo dużych masach, co w połączeniu z jej nieskończonym zasięgiem sprawia, że siła ta pełni kluczową rolę w kształtowaniu struktury Wszechświata. Oddziaływania podstawowe są przenoszone przez cząstki elementarne o całkowitym spinie (bozony cechowania); nośnikiem oddziaływań elektromagnetycznych są więc fotony, oddziaływań silnych – gluony, natomiast oddziaływań słabych – bozony W i bozony Z. Oddziaływania grawitacyjne są przypuszczalnie przenoszone za pośrednictwem hipotetycznych cząstek, określanych mianem grawitonów.

Grawitacja jest zjawiskiem polegającym na wzajemnym przyciąganiu się wszystkich ciał fizycznych, którego siła zależy od masy tych ciał oraz odległości pomiędzy nimi. (infografika/Shutterstock)

Grawitacja w ujęciu mechaniki klasycznej

Grawitacja, zgodnie z założeniami mechaniki klasycznej, jest powszechnym i uniwersalnym zjawiskiem fizycznym polegającym na wzajemnym przyciąganiu wszystkich ciał materialnych obdarzonych niezerową masą lub energią, którego siła zależy od masy oddziałujących ciał oraz odległości pomiędzy nimi. Powyższa prawidłowość opisana jest przez fundamentalne prawo fizyki, określane mianem prawa powszechnej grawitacji lub prawem powszechnego ciążenia, sformułowane przez angielskiego fizyka i astronoma Isaaca Newtona w 1687 r.


Siła grawitacji, czyli wzajemnego przyciągania się ciał fizycznych posiadających niezerową masę, jest wprost proporcjonalne do iloczynu mas tych ciał i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między ich środkami, zgodnie z poniższym wzorem:

gdzie:
Fg – siła grawitacji [N],
G – stała grawitacji (G=6,67∙10¯^11  Nm²/kg²),
m1 i m2 – masy przyciągających się ciał fizycznych [kg],
r – odległość między środkami przyciągających się ciał fizycznych [m].

Oddziaływanie siły grawitacji między dwoma ciałami fizycznymi obdarzonymi niewielką masą (np. długopisem i biurkiem) jest oddziaływaniem słabym, w związku z czym niemożliwa jest obserwacja ich wzajemnego przyciągania. Skutki działania grawitacji stają się dostrzegalne, gdy jedno lub obydwa oddziałujące ciała posiadają dużą masę, czego przykładem może być ruch obiektów materialnych w polu grawitacyjnym Ziemi lub krążenie planet wokół Słońca.

Siła grawitacji jest odpowiedzialna za krążenie Księżyca po orbicie okołoziemskiej. (infografika/Shutterstock)

Siła grawitacji istniejąca między ciałem fizycznym obdarzonym masą znajdującym się w polu grawitacyjnym Ziemi i kulą ziemską jest wprost proporcjonalna do iloczynu masy ciała i masy kuli ziemskiej i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między środkiem tego ciała i środkiem kuli ziemskiej, zgodnie z poniższym wzorem:

gdzie:
Fg – siła grawitacji [N],
G – stała grawitacji (G=6,67∙10¯^11  Nm²/kg²),
MZ – masa kuli ziemskiej (MZ=6∙10^24  kg),
m – masa ciała fizycznego znajdującego się w polu grawitacyjnym kuli ziemskiej [kg],
r – odległość pomiędzy środkiem ciała i środkiem kuli ziemskiej (na powierzchni Ziemi w przybliżeniu
     równa promieniowi Ziemi r≈Rz=6,37∙10^6  m).

Każde ciało fizyczne obdarzone niezerową masą wytwarza w otaczającej go przestrzeni pole grawitacyjne, którego natężenie (γ) równe jest stosunkowi siły grawitacji oddziałującej na to ciało do masy tego ciała zgodnie z poniższym wzorem:

gdzie:
γ – natężenie pola grawitacyjnego [N/kg]=[m/s²]
Fg – siła grawitacji działająca na ciało fizyczne obdarzone masą m [N];
m – masa ciała fizycznego znajdującego się w polu grawitacyjnym [kg].

Natężenie pola grawitacyjnego (γ) występującego w pobliżu powierzchni Ziemi osiąga wartość zbliżoną do wartości przyspieszenia ziemskiego (g):

gdzie:
γ – natężenie pola grawitacyjnego [N/kg]=[m/s²],
g – przyspieszenie ziemskie [m/s²],
G – stała grawitacji (G=6,67∙10¯^11  Nm²/kg²),
MZ – masa kuli ziemskiej (MZ=6∙10^24  kg),
RZ – promień Ziemi (Rz=6,37∙10^6  m).

Wartości natężenia pola grawitacyjnego i przyspieszenia ziemskiego różnią się w zależności od szerokości geograficznej, co wynika z kształtu kuli ziemskiej oraz wpływu siły odśrodkowej związanej z ruchem obrotowym Ziemi. Natężenie pola grawitacyjnego ma najniższą wartość  na równiku (9,780 m/s²), co wiąże się z największą wartością siły odśrodkowej i odległością od osi obrotu Ziemi; najwyższe występuje natomiast na biegunach Ziemi (ok. 9,832 m/s²), co spowodowane jest najniższą wartością siły odśrodkowej i odległością od osi obrotu Ziemi.

Teoria grawitacji w ujęciu mechaniki klasycznej wykorzystywana jest we współczesnej fizyce głównie do opisywania słabych pól grawitacyjnych i ograniczonych przestrzennie rozkładów masy (np. ruchu ciał fizycznych w polu grawitacyjnym Ziemi). Prawo powszechnego ciążenia Newtona umożliwia również opisywanie trajektorii ciał niebieskich w Układzie Słonecznym (np. gwiazd, galaktyk, planet) i wyjaśnianie natury procesów związanych z ewolucją gwiazd.

Grawitacja, w ujęciu ogólnej teorii względności Einsteina, jest skutkiem zakrzywienia czasoprzestrzeni przez materię występującą we Wszechświecie. (infografika/Shutterstock)

Grawitacja w ujęciu ogólnej teorii względności

Opis oddziaływań grawitacyjnych we współczesnej fizyce opiera się głównie na założeniach ogólnej teorii względności (OTW) sformułowanej przez niemieckiego fizyka Alberta Einsteina w 1915 r. Grawitacja definiowana jest w tym przypadku nie jako siła przyciągania pomiędzy ciałami fizycznymi obdarzonymi niezerową masą lub energią, lecz jako skutek zakrzywienia czasoprzestrzeni przez różne rodzaje materii występujące we Wszechświecie. Ogólna teoria względności opiera się na równości masy grawitacyjnej i masy bezwładnej, która sprawia, że wszystkie ciała fizyczne spadają w polu grawitacyjnym z takim samym przyspieszeniem.


Przyspieszenie stanowi bezpośrednią geometryczną konsekwencję zmiany właściwości czasoprzestrzeni w obecności mas obiektów materialnych. Geometria czasoprzestrzeni określona jest rozkładem materii-energii w tej czasoprzestrzeni, zaś ruch mas obiektów materialnych jest określony przez jej zakrzywienie. Powyższą zależność opisuje równanie pola grawitacyjnego (równanie Einsteina):

gdzie:
Gμν – tensor Einsteina (tensor opisujący zakrzywienie czasoprzestrzeni),
∆ – stała kosmologiczna,
gμν – tensor metryczny (tensor opisujący całościową strukturę czasoprzestrzeni),
κ – stała grawitacyjna Einsteina (κ=8πG/c⁴),
G – stała grawitacji (G=6,67∙10¯^11  Nm²/kg²),
c – prędkość światła w próżni (c=299792458 m/s),
Tμν – tensor energii-pędu, tensor napięć-energii (tensor opisujący gęstość i strumień energii i pędu
      w czasoprzestrzeni, stanowiące źródło pola grawitacyjnego).

Rozwiązanie równania pola grawitacyjnego polega głównie na obliczeniu dokładnej wartości tensora metrycznego (gμν) definiującego geometrię i zakrzywienie czasoprzestrzeni przy określonej wartości tensora energii-pędu (Tμν) definiującego rozkład materii-energii w tej czasoprzestrzeni. Rozwiązania tego równania są z reguły możliwe wyłącznie dla układów cechujących się sferyczno-symetrycznym rozkładem masy:

  • rozwiązanie (metryka) Schwarzschilda – opis geometrii czasoprzestrzeni wokół masywnych, sferycznych, nieruchomych lub wolno-rotujących ciał fizycznych pozbawionych ładunku elektrycznego (np. Ziemi, Słońca, białych karłów, gwiazd neutronowych, czarnych dziur Schwarzschilda);
  • rozwiązanie (metryka) Kerra – opis geometrii czasoprzestrzeni wokół masywnych, obracających się (rotujących) wokół centralnej osi ciał fizycznych nie posiadających ładunku elektrycznego (np. gwiazd neutronowych, czarnych dziur Kerra);
  • rozwiązanie (metryka) Reissnera-Nordströma – opis geometrii czasoprzestrzeni wokół masywnych, sferycznych, nieruchomych ciał fizycznych posiadających ładunek elektrycznym (np. gwiazd neutronowych, czarnych dziur Reissnera-Nordströma);
  • rozwiązanie (metryka) Kerra-Newmana – opis geometrii czasoprzestrzeni wokół masywnych, obracających się (rotujących) wokół centralnej osi ciał fizycznych posiadających ładunek elektryczny (np. czarnych dziur Kerra-Newmana).

Ogólna teoria względności Alberta Einsteina, w odróżnieniu od klasycznej teorii grawitacji (prawa powszechnego ciążenia Isaaca Newtona), umożliwia opis silnych pól grawitacyjnych oraz całościowej struktury Wszechświata. Współczesna teoria grawitacji wyjaśniła niektóre obserwowane zjawiska niezgodne z założeniami mechaniki klasycznej, np. anomalie w ruchu Merkurego spowodowaną zakrzywieniem czasoprzestrzeni przez Słońce. Umożliwiła również odkrycie zjawisk dylatacji czasu i zakrzywiania promieni świetlnych w pobliżu masywnych ciał niebieskich (tzw. soczewkowania grawitacyjnego), fal grawitacyjnych oraz czarnych dziur.

Grawitacja pełni ważną rolę w procesie wzrostu organów roślinnych. (infografika/Shutterstock)

Znaczenie grawitacji

Grawitacja umożliwia życie na Ziemi; stanowi uniwersalną siłę oddziałującą i nadającą ciężar wszystkim ciałom fizycznym znajdującym się na kuli ziemskiej, dzięki czemu ściśle przylegają bądź stabilnie poruszają się po jej powierzchni. Grawitacja utrzymuje przy powierzchni Ziemi atmosferę – powłokę gazową chroniącą organizmy żywe przed szkodliwym oddziaływaniem promieniowania ultrafioletowego (UV), gwałtownymi wahaniami temperatury w ciągu doby oraz całkowitą utratą ciepła (efekt cieplarniany). Atmosfera Ziemi jest miejscem zachodzenia zjawisk atmosferycznych wpływających na procesy życiowe organizmów żywych, przepływ energii i krążenie materii w przyrodzie. Siły grawitacyjnego przyciągania Księżyca i Słońca są odpowiedzialne za powstawanie pływów morskich (przypływów i odpływów) kształtujących siedliska przybrzeżne o wysokiej różnorodności biologicznej. Oddziaływania grawitacyjne odgrywają również istotną rolę w procesie wzrostu roślin (tzw. grawitropizm), rozsiewaniu nasion roślin (tzw. barochoria) i rozmnażaniu ryb składających ikrę denną (demersalną).


Grawitacja pełni istotną rolę w kształtowaniu struktury Wszechświata, przyczyniając się do powstawania gwiazd, gromad gwiazd, galaktyk, planet i układów planetarnych w procesie zapadania się obłoków międzygwiazdowych pod własnym ciężarem (zapaści grawitacyjnej). Czarne dziury, obiekty stanowiące źródło bardzo silnego pola grawitacyjnego, powstają w wyniku grawitacyjnego zapadania się (kolapsu) masywnych ciał niebieskich o dużej gęstości (np. gwiazd, dużych obłoków gazowych) lub wskutek powolnego opadania (akrecji) materii międzygwiazdowej pod wpływem grawitacji. Grawitacja jest siłą odpowiedzialną za krążenie satelitów naturalnych (księżyców) i satelitów sztucznych (np. satelitów meteorologicznych, stacji kosmicznych, teleskopów kosmicznych, sond kosmicznych) po orbitach planetarnych oraz krążenie planet, planetoid, komet i innych ciał niebieskich po orbitach wokół Słońca.

Indeks nazw
Szukaj lub wybierz według alfabetu
A B C D E F G H I J K L Ł M N O P Q R S Ś T U V W X Y Z Ź Ż
Organizacje ekologiczne
Centrum Prawa Ekologicznego
Znaki ekologiczne
EKO-ITB
EKO-ITB
Subscribe
Powiadom o
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments