ความโน้มถ่วง

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

กฎความโน้มถ่วงของนิวตัน

ความโน้มถ่วงระหว่างวัตถุสองอัน

ในปี พ.ศ. 2230 ไอแซก นิวตัน ได้ค้นพบกฎความโน้มถ่วงดังนี้

$F={\frac {Gm_{1}m_{2}}{r^{2}}}$

F	แทนความโน้มถ่วงระหว่างมวลทั้งสอง
G	แทนค่านิจโน้มถ่วงสากล
m1	แทนมวลของวัตถุแรก
m2	แทนมวลของวัตถุที่สอง
r	แทนระยะห่างระหว่างวัตถุทั้งสอง

การเคลื่อนที่ของวัตถุในสนามโน้มถ่วง

วัตถุที่อยู่ในสนามโน้มถ่วงของโลกจะถูกโลกดึงดูด ดังนั้นเมื่อปล่อยวัตถุให้ตกบริเวณใกล้ผิวโลก แรงดึงดูดของโลกจะทำให้วัตถุเคลื่อนที่เร็วขึ้น นั่นคือ วัตถุมีความเร่ง

              การตกของวัตถุที่มีมวลต่างกันในสนามโน้มถ่วงวัตถุ จะเคลื่อนที่ด้วยความเร่งคงตัว  เรียกว่า ความเร่งโน้มถ่วง (gravitationalacceleration) มีทิศทางเข้าสู่ศูนย์กลางของโลก  ความเร่งโน้มถ่วงที่ผิวโลก   มีค่าต่างกันตามตำแหน่งทาง ภูมิศาสตร์ในการตกของวัตถุ  วัตถุจะเคลื่อนที่ลงด้วยความเร่งโน้มถ่วง 9.8เมตรต่อวินาทียกกำลังสอง  ซึ่งหมายความว่าความเร็วของวัตถุจะเพิ่มขึ้นวินาทีละ  9.8 เมตรต่อวินาที

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป

Albert Einstein ได้เผยแพร่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปในปี พ.ศ. 2459 โดยเนื้อหาแสดงถึงการอธิบายความโน้มถ่วงที่มีพื้นฐานมาจากทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษและกฎความโน้มถ่วงของนิวตันในรูปแบบของกาลอวกาศ (อังกฤษ: Spacetime) เชิงเรขาคณิตที่สามารถอธิบายได้ด้วยสมการสนามของAlbert Einstein (อังกฤษ: Einstein field Equation) ดังนี้

$R_{\mu \nu }-{1 \over 2}g_{\mu \nu }\,R+g_{\mu \nu }\Lambda ={8\pi G \over c^{4}}T_{\mu \nu }$

$R_{\mu \nu }$	แทน ริชชี่เทนเซอร์ความโค้ง (Ricci Tensor Curvature)
$R$	แทนความโค้งเชิงสเกลาร์ (Scalar Curvature)
$g_{\mu \nu }$	แทนเมตริกซ์เทนเซอร์
$\Lambda \!$	แทนค่าคงตัวจักรวาล (Cosmological Constant)
$G$	แทนค่านิจโน้มถ่วงสากล (Gravity Constant)
$c$	แทนความเร็วแสง
$T_{\mu \nu }$	แทนเทนเซอร์ความเค้น-พลังงาน (Stress-Energy Tensor)

หัวข้อเฉพาะ

ความโน้มถ่วงของโลก

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

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

ปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องกับแรงโน้มถ่วง

- น้ำขึ้นน้ำลง

   เกิดจากแรงโน้มถ่วงแรงดึงดูดระหว่างมวลของดวงจันทร์และดวงอาทิตย์ที่กระทำกับโลก แต่ดวงจันทร์จะมีต่อโลกมากกว่าดวงอาทิตย์ ขณะที่ดวงจันทร์หมุนรอบโลกนั้น น้ำบนโลกจะถูกแรงดึงดูดทำให้ระดับน้ำสูงขึ้นในทิศที่ดวงจันทร์ปรากฏ โดยการเกิดน้ำขึ้นนั้นจะเกิดบนโลกที่มีตำแหน่งใกล้และตรงข้ามกับดวงจันทร์ ส่วนการเกิดน้ำลงจะเกิดบริเวณที่ตั้งฉากกับตำแหน่งของดวงจันทร์ 

- เกิดแรงไทดัล

   แรงไทดัล คือ แรงที่เกิดขึ้นจากแรงโน้มถ่วงของวัตถุ2ชิ้นอย่างไม่สม่ำเสมอ เช่น ดาวดวงหนึ่งได้รับแรงโน้มถ่วงจากดาวอีกดวง ด้านที่อยู่ใกล้จะถูกกระทำดึงดูดมากกว่าด้านที่อยู่ไกล ความต่างของแรงทั้งสองอาจทำให้ดาวนั้นแตกได้ หรือถ้าดาวนั้นมีความยืดหยุ่นก็อาจจะทำให้รูปทรงของดาวนั้นเปลี่ยนรูปเป็นทรงรีได้