ความโน้มถ่วง

จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี
ความโน้มถ่วงทำให้ดาวเคราะห์ต่างๆ ยังคงหมุนรอบดวงอาทิตย์ ไม่หลุดออกจากวงโคจร (ภาพไม่เป็นไปตามอัตราส่วน)

ความโน้มถ่วง (อังกฤษ: gravity) เป็นปรากฏการณ์ธรรมชาติซึ่งทำให้วัตถุกายภาพทั้งหมดดึงดูดเข้าหากัน ความโน้มถ่วงทำให้วัตถุกายภาพมีน้ำหนักและทำให้วัตถุตกสู่พื้นเมื่อปล่อย แรงโน้มถ่วงเป็นหนึ่งในสี่แรงหลัก ซึ่งประกอบด้วย แรงโน้มถ่วง แรงแม่เหล็กไฟฟ้า แรงนิวเคลียร์แบบอ่อน และ แรงนิวเคลียร์แบบเข้ม ในจำนวนแรงทั้งสี่แรงหลัก แรงโน้มถ่วงมีค่าน้อยที่สุด ถึงแม้ว่าแรงโน้มถ่วงจะเป็นแรงที่เราไม่สามารถรับรู้ได้มากนักเพราะความเบาบางของแรงที่กระทำต่อเรา แต่ก็เป็นแรงเดียวที่ยึดเหนี่ยวเราไว้กับพื้นโลก แรงโน้มถ่วงมีความแรงแปรผันตรงกับมวล และแปรผกผันกับระยะทางยกกำลังสอง ไม่มีการลดทอนหรือถูกดูดซับเนื่องจากมวลใดๆ ทำให้แรงโน้มถ่วงเป็นแรงที่สำคัญมากในการยึดเหนี่ยวเอกภพไว้ด้วยกัน

นอกเหนือจากความโน้มถ่วงที่เกิดระหว่างมวลแล้ว ความโน้มถ่วงยังสามารถเกิดขึ้นได้จากการที่เราเปลี่ยนสภาพการเคลื่อนที่ตามกฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน เช่น การเพิ่มหรือลดความเร็วของวัตถุ การเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่ เป็นต้น

ประวัติศาสตร์[แก้]

กฎความโน้มถ่วงของนิวตัน[แก้]

ความโน้มถ่วงระหว่างวัตถุสองอัน

ในปี พ.ศ. 2230 ไอแซก นิวตัน ได้ค้นพบกฎความโน้มถ่วงดังนี้

F แทนความโน้มถ่วงระหว่างมวลทั้งสอง
G แทนค่านิจโน้มถ่วงสากล
m1 แทนมวลของวัตถุแรก
m2 แทนมวลของวัตถุที่สอง
r แทนระยะห่างระหว่างวัตถุทั้งสอง

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป[แก้]

อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ได้เผยแพร่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปในปี พ.ศ. 2459 โดยเนื้อหาแสดงถึงการอธิบายความโน้มถ่วงที่มีพื้นฐานมาจากทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษและกฎความโน้มถ่วงของนิวตันในรูปแบบของกาลอวกาศ (อังกฤษ: Spacetime) เชิงเรขาคณิตที่สามารถอธิบายได้ด้วยสมการสนามของไอน์สไตน์ (อังกฤษ: Einstein field Equation) ดังนี้

แทน ริชชี่เทนเซอร์ความโค้ง (Ricci Tensor Curvature)
แทนความโค้งเชิงสเกลาร์ (Scalar Curvature)
แทนเมตริกซ์เทนเซอร์
แทนค่าคงตัวจักรวาล (Cosmological Constant)
แทนค่านิจโน้มถ่วงสากล (Gravity Constant)
แทนความเร็วแสง
แทนเทนเซอร์ความเค้น-พลังงาน (Stress-Energy Tensor)

หัวข้อเฉพาะ[แก้]

ความโน้มถ่วงของโลก[แก้]

จากกฎความโน้มถ่วงของนิวตัน ความโน้มถ่วงของโลกที่กระทำกับมวลใดๆ จะขึ้นอยู่กับระยะทางระหว่างศูนย์กลางมวลของโลกกับศูนย์กลางมวลวัตถุยกกำลังสอง ดังนั้นแรงโน้มถ่วงของโลกบริเวณต่างๆ จึงมีค่าไม่เท่ากัน และเนื่องจากโลกมีการหมุนรอบตัวเองมีผลทำให้เกิดแรงหนีศูนย์กลาง แรงหนีศูนย์กลางนี้จะหักล้างกับแรงโน้มถ่วงของโลก แรงหนีศูนย์กลางจะมีค่ามากที่สุดบริเวณเส้นศูนย์สูตร และมีค่าน้อยที่สุดบริเวณขั้วโลก ผลของแรงหนีศูนย์กลางนี้ทำให้แรงโน้มถ่วงของโลกบริเวณเส้นศูนย์สูตรมีค่าน้อยกว่าแรงโน้มถ่วงของโลกบริเวณขั้วโลกเหนือ นอกจากนั้น โลกก็มิได้เป็นทรงกลมโดยสมบูรณ์ แต่แป้นตรงกลางเล็กน้อยคล้ายผลส้ม ทำให้ระยะห่างจากจุดศูนย์กลางของโลกถึงพื้นผิวโลกแปรผันไปตามละติจูด

สำหรับการคำนวณทางวิศวกรรมโดยทั่วไปความเปลี่ยนแปลงของค่าแรงโน้มถ่วงไม่ถือเป็นนัยสำคัญ จึงสามารถใช้ค่าเฉลี่ยของแรงโน้มถ่วงของโลกได้ โดยกำหนดให้ ความเร่งเนื่องจากความโน้มถ่วงของโลก (g) มีค่าเท่ากับประมาณ 9.81(~10) เมตรต่อวินาทีกำลังสอง



สนามโน้มถ่วง

           แรงโน้มถ่วงของโลกคือแรงที่โลกดึงดูดวัตถุบนโลกไม่ให้หลุดลอยไปในอวกาศ  ซึ่งแรงโน้มถ่วงของโลกที่มีผลต่อวัตถุจะมากหรือน้อยจะขึ้นอยู่กับ ชนิดของมวลของวัตถุและระยะห่างวัตถุกับจุดศูนย์กลางของโลก

    มวลของสาร(Mass) คือปริมาณเนื้อสาร ซึ่งมีค่าคงตัว มีหน่วยเป็นกิโลกรัม

    น้ำหนัก (weight) คือแรงเนื่องจากแรงดึงดูดของโลกที่กระทำติ่วัตถุ มีหน่วยตามระบบเอสไอ คือ นิวตัน(N)


W = mg

   W แทน น้ำหนัก

    M แทน มวล

   g แทน ค่าความเร่งเนื่องจากแรงดึดดูดของโลก(9.8 m/s2)

"ทุกอนุภาคสสารนี้เอกภพดึงดูดทุกอนุภาคอื่นด้วยแรงซึ่งแปรผันตรงกับผลคูณของมวลของอนุภาคและแปรผกผันกับกำลังสองของระยะห่างระหว่างอนุภาคทั้งสองนั้น"

วัตถุมีมวล m จะมีแรงโน้มถ่วงกระทำต่อวัตถุขนาดเท่ากัน

F = mg
เมื่อ g = ความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลก = 9.81 m/s.s

ถ้า m มีหน่วยเป็นกิโลกรัม

    F จะมีหน่วยเป็นนิวตัน

แรง F นี้คือสิ่งที่เรามักเรียกว่า "น้ำหนัก" (Weight) เนื่องจาก g มีค่าเปลี่ยนแปลงไปตามตำแหน่งต่างๆ ของโลก แรง F จึงมีค่าเปลี่ยนไปด้วยเล็กน้อย

https://sites.google.com/site/supod45/sc30113/12557/room12/12/179962.jpg?attredirects=0

สนามโน้มถ่วง
          เมื่อปล่อยวัตถุ วัตถุจะตกสู่พื้นโลกเนื่องจากโลกมีสนามโน้มถ่วง (gravitational field) อยู่รอบโลก สนามโน้มถ่วงทำให้เกิดแรงดึงดูดกระทำต่อมวลของวัตถุทั้งหลาย แรงดึงดูดนี้เรียกว่า แรงโน้มถ่วง (gravitational  force)   

แรงโน้มถ่วงและสนามโน้มถ่วงของโลก

         แรงโน้มถ่วงที่โลกกระทำต่อวัตถุบนโลกคือน้ำหนัก (weight) ของวัตถุนั้น (น้ำหนักมีหน่วยเป็น นิวตัน) สำหรับวัตถุมวล บนผิวโลกจะมีน้ำหนักเท่ากับ มีทิศเข้าสู่จุดศูนย์กลางโลกโดยที่ผิวโลกขนาดของ มีค่าประมาณ 9.8 m/s2

ข้อสังเกต

   - W ไม่ได้หมายถึงน้ำหนักที่อ่านได้จากตาชั่ง
   - น้ำหนักและค่า g ขึ้นอยู่กับตำแหน่งของวัตถุบนผิวโลก และจะเปลี่ยนแปลงตามความสูงต่ำจากผิวโลกแรงโน้มถ่วงของโลกที่กระทำต่อวัตถุก็คือ 

น้ำหนัก (weight)ของวัตถุบนโลก หาได้จากสมการ W=mgเมื่อ m เป็นมวลของวัตถุที่มีหน่วยเป็นกิโลกรัม(kg)

   - g  เป็นความเร่งโน้มถ่วง ณ   ตำแหน่งที่วัตถุวางอยู่   มีหน่วยเป็นเมตรต่อวินาทียกกำลังสองและW เป็นน้ำหนักของวัตถุุที่มีหน่วยเป็นนิวตัน (N)

แหล่งอ้างอิง https://sites.google.com/site/supod45/sc30113/12557/room12/12