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:
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)