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【物理力學概要】9---「引力」與「牛頓萬有引力定律」

黑色公主 | 2012-11-17 15:57:44 | 巴幣 0 | 人氣 2987

 
各位可能聽說過一個故事:一顆從樹上掉落的蘋果砸中了牛頓的腦門,從而啟發出牛頓開始思考引力的性質,因此得出著名的萬有引力定律。
 

 
不論這個故事是否真的,相信各位對「萬有引力」一詞都不會陌生。
 
那麼,究竟什麼是萬有引力呢? 萬有引力是怎樣存在呢?
 
萬有引力存在於任何物質上,不論該物質大或小、重或輕、高或矮都不會有異,可以泛指為任何兩件物質之間存在、互相吸引的力。
 

                     A                                                                                               B
 
上圖中F (1)為A施加在B上的引力,F (2)為B施加在A上的引力,兩者大小相同、方向相反。
 
很多人或許會奇怪,以上兩顆圓球AB之間存在的引力不會使AB互相吸引在一起;但是,地球與月球之間存在的引力卻會使月球圍繞地球旋轉,為什麼呢?
 


這是因為地球和月球的質量遠較A和B的質量為大,所以彼此之間存在的引力也遠較AB為大,能夠牢牢地把兩者吸引在一起。
 
牛頓藉著他的觀測,提出了「牛頓萬有引力定律」,其定義為:
 


任意兩個質點有通過連心線方向上的力相互吸引。該引力的大小與它們的質量乘積成正比,與它們距離的平方成反比,與兩物體的化學本質或物理狀態以及中介物質無關。

以公式表達:
 
 
其中F為「引力 (N)」,m(1)為物件A的質量 (kg),m(2)為物件B的質量 (kg),r為物件A與物件B之間的距離 (m),G為「萬有引力常數 (N m^2/kg^2)」
 
必須一提的是,萬有引力常數是恆定不變的,其有效數值為 6.67×10^-11 N m^2/kg^2。
 
藉由以上公式,我們可以計算地球與月球之間的相互引力:
 

 
地球的質量為: 5.98×10^24 kg
 
月球的質量為: 7.35 × 10^22 kg
 
地球到月球的距離大約為: 3.84 × 10^8 m
 
根據 :
 
 
F =  (6.67×10^-11) (5.98×10^24 )(7.35 × 10^22 ) / (3.84 × 10^8 )^2
 
F = 1.99 × 10^20 N
 
所以,地球與月球之間的相互引力大約為1.99 × 10^20 N。
 
接下來,我們會嘗試導出地球表面的「重力加速度 (ag)」。
 
縱使本人之前一直假設「自由落體加速度 (g)」跟「重力加速度 (ag)」相同,其實兩者是存在分別的。雖然這個分別可以忽略不計,然而卻不能把兩者混淆。
  

 
眾所皆知,地球表面的重力加速度 (ag)為: 9.8 m/s^2  ,那麼物理學家是如何求得這個結果呢?
 
原來求出某星球的重力加速度 (ag)的公式為:
 
 
其中G為「萬有引力常數 (N m^2/kg^2)」,M為該星球的質量 (kg),r為該星球的半徑。
 
地球的質量為: 5.98×10^24 kg
 
地球的半徑為: 6.37× 10^6 m
 
因此,重力加速度 (ag)為:
 
ag = (6.67×10^-11)(5.98×10^24 ) / (6.37× 10^6 )^2
 
ag = 9.8 m/s^2
 
所以,地球表面的「重力加速度 (ag)」大約為 9.8 m/s^2。
 
今回在這裡結束,下回本人會講解「引力場」與「引力」作用下的運動路徑。
 
(參考資料:維基百科Wikipedia)

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