Gravity Explained

Seit Jahren wissen die Menschen, dass, wenn ein Objekt direkt nach oben geworfen wird, es auf die Erde zurückfällt. Die Menschen beobachteten dieses Phänomen und konnten den Effekt dieser Kraft vorhersagen, hatten aber keine Ahnung, wie es funktionierte.

Seit der Antike gab es zahlreiche Theorien und Versuche, diese mysteriöse Kraft namens „Gravity“ zu erklären. In den frühen Tagen dachten Philosophen, dass das Fallen von Objekten zur Erde Teil des Reiches der Götter war und folgten einer natürlichen Bewegung. Zum Beispiel gehörte die Luft zum Himmel und bewegte sich nach oben, während Felsen zur Erde gehörten und zur Erde zurückfielen.

„Nehmen Sie sich einen Moment Zeit, um die Auswirkungen der Schwerkraft zu erleben. Heben Sie Ihren Arm und fühlen, wie Sie gezwungen sind, es wieder fallen oder verwenden Sie eine Kugel oder Apfel, um gerade nach oben

zu werfen“

Im vierten Jahrhundert war Aristoteles der erste, der eine quantitative Beschreibung der Schwerkraft versuchte. Er schrieb, dass ein Objekt mit konstanter Geschwindigkeit fiel, kurz nach der Veröffentlichung erreicht, und schwerere Dinge fielen schneller im Verhältnis zu ihrer Masse. Obwohl diese Idee falsch war, blieb sie bis ins 16. Jahrhundert im Gedächtnis.

Im 17. Jahrhundert lieferte der italienische Astronom Galileo Galilei die erste wissenschaftliche Erklärung der Gravitation durch Experimente und stellte die von Aristoteles vorgeschlagene Idee der Schwerkraft in Frage.

Durch seine Experimente erkannte Galileo, dass ein fallender Körper geschwindigkeit mit konstanter Geschwindigkeit annahm – mit anderen Worten, er hatte eine konstante Beschleunigung. Er machte auch die wichtige Beobachtung, dass, wenn Luftwiderstand vernachlässigt werden kann, alle Körper mit der gleichen Beschleunigung fallen, Körper mit verschiedenen Gewichten zusammen fallen den Boden gleichzeitig erreichen.

Galileo soll Bälle der gleichen Form fallen gelassen haben. Dennoch, anderes Gewicht als der schiefe Turm von Pisa zu zeigen, dass die Objekte fiel mit der gleichen Beschleunigung, beweist seine Vorhersage richtig, während zur gleichen Zeit widerlegen Aristoteles Theorie der Schwerkraft (die besagt, dass Objekte fallen mit Geschwindigkeit proportional zu ihrer Masse).

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„Am Ende des letzten Apollo 15 Mondspaziergangs führte Kommandant David Scott (Bild unten) eine Live-Demonstration für die Fernsehkameras durch. Er hielt einen geologischen Hammer und eine Feder und ließ sie zur gleichen Zeit fallen. Da sie sich im Wesentlichen in einem Vakuum befanden, gab es keinen Luftwiderstand, und die Feder fiel im gleichen Tempo wie der Hammer, wie Galileo Hunderte von Jahren zuvor abgeschlossen hatte – alle Objekte, die zusammen freigesetzt wurden, fallen in der gleichen Geschwindigkeit, unabhängig von der Masse. Mission Controller Joe Allen beschrieb die Demonstration im „Apollo 15 Preliminary Science Report“:“

https://nssdc.gs

fc.nasa.gov/planetary/lunar/apollo_15_feather_drop.html

Galileo führte auch ein weiteres Experiment durch, um zu beweisen, dass die Schwerkraft Objekte mit konstanter Geschwindigkeit beschleunigt, wenn sie fiel. Es gab jedoch ein Problem, diese Hypothese zu testen. Galileo konnte die freie Bewegung des Objekts nicht vertikal beobachten. Zu dieser Zeit konnte die Technologie nicht solche hohen Geschwindigkeiten aufzeichnen (fehlende Uhr oder Timer, die hohe Geschwindigkeit messen könnte). Als Ergebnis versuchte Galileo, die Bewegung zu verlangsamen, indem es das fallende Objekt durch einen Ball ersetzte, der eine geneigte Rampe hinunterrollte. Da freies Fallen einer vollständig vertikalen Rampe gleichkommt, ging er davon aus, dass sich ein Ball, der eine geneigte Rampe hinunterrollt, genauso beschleunigen würde wie ein fallender Ball.

Durch dieses Experiment kam Galileo zu dem Schluss, dass, wenn ein Objekt aus der Ruhe befreit wird und mit einer konstanten Geschwindigkeit an Geschwindigkeit gewinnt, die gesamtzurückgelegte Entfernung des Objekts proportional zur für diese Reise benötigten Zeit ist. Wenn z. B. ein objekt, das von der Ruhe freigegeben wird, für zwei Sekunden reist, wird es 2 x 2 oder 4 Mal so weit reisen, wie es wäre, wenn es nur für eine Sekunde nach der Pause reiste.

Das folgende Video reproduziert das obige Experiment von Galileo.

Ich glaube, wir haben ein besseres Verständnis dafür, wie sich die Dinge unter dem Einfluss der Schwerkraft hier auf der Erde bewegen. Aber wie erweitern wir dieses Verständnis auf die Bewegung anderer Objekte außerhalb des Planeten Erde? Wie dreht sich der Mond zum Beispiel um die Erde? Warum umkreist die Erde die Sonne? Wie bewegen sich die Sterne über das Universum?

Im 17. Jahrhundert gab Sir Isaac Newton, ein Mathematiker und Physiker, eine neue Beschreibung der Schwerkraft. Er glaubte, dass wir in einer Welt leben, in der wir die Bewegung von allem vorhersagen können. Newtons Arbeit über die Schwerkraft ist einer der entscheidenden Wendepunkte in der Physik.

Wann immer wir über Newton sprechen, ist das erste, was uns in den Sinn kommt, Apple, das Newton auf den Kopf fiel. Diese Geschichte ist nicht ganz richtig.
Eines Tages saß Newton in seinem Garten und dachte, als er bemerkte, dass ein Apfel in der Nähe fiel. Es war nicht nur, dass der Apfel fiel ihn aufgeregt, aber dass es versuchte, zum Zentrum der Erde zu gehen (gerade nach unten) und nicht in irgendeine andere Richtung. Das war der entscheidende Moment, in dem Newton erkannte, dass die Erde den Apfel zu ihm gezogen hatte. Dann erkannte er, dass jedes Objekt im Universum jedes andere Objekt im Verhältnis zu seiner Masse anzieht. Je größer die Masse des Objekts, desto größer wird seine Anziehungskraft sein. Er erweiterte diese Idee auf die Erde und zog den Mond in Richtung seines Zentrums. Es dauerte fast 20 Jahre von diesem Tag an, bis Newton seine Arbeit über die Schwerkraft veröffentlichte. Während ein Apfel Sir Isaac Newton nicht auf den Kopf geschlagen haben mag, wie der Mythos vermuten lässt, inspirierte der Fall eines Apfels Newton zu einer der großen Entdeckungen.

Newtons universelles Gravitationsgesetz besagt, dass die Kraft (F) der Anziehung zwischen zwei Objekten gleich dem Produkt ihrer Massen (m1 * m2) ist, geteilt durch das Quadrat des Abstands zwischen ihnen (r). Diese Formel gibt auch an, dass der Abstand zwischen dem Objekt zunimmt. die Gravitationskraft wird schwächer. (Erinnern Sie sich an das umgekehrte Quadrat des Abstands zwischen den Objekten)

Es könnte sich die Frage stellen, warum der Mond nicht wie der Apfel direkt auf die Erde fällt.

Stellen Sie sich vor, Sie feuern eine Kanonenkugel horizontal von der Spitze eines Berges wie dem Mt.Everest auf der Erde ab. Der Ball folgte einer gekrümmten Flugbahn, als er sich vorwärts bewegte und durch die Schwerkraft gleichzeitig zum Boden hin angezogen wurde. Feuern Sie die Kanonenkugel mit mehr Energie, und sie würde weiter weg vom Berg landen, aber es würde immer noch eine gekrümmte Flugbahn folgen.

Newton schlug vor, dass, wenn Sie die Kanonenkugel mit genügend Energie abgefeuert, könnte sie um die Erde fliegen und nie landen, weil die Erde unter dem Ball mit der gleichen Geschwindigkeit weggekrümmt würde, wie der Ball fiel. Mit anderen Worten, der Ball würde sich jetzt im Orbit um die Erde befinden.
Und das passiert mit dem Mond – er ist im freien Fall um die Erde, aber er bewegt sich schnell genug, so dass die Erdoberfläche ihn nie ganz „fängt“. Das gleiche Prinzip wird auch heute noch für den Start von Satelliten im Orbit um die Erde verwendet.

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Newtons Gravitationsmodell funktionierte ziemlich gut, um die Bewegung der meisten Planeten sowie objekte auf der Erde vorherzusagen. Tatsächlich wurde Newtons Gravitationsgesetz benutzt, um den Planeten Neptun zu entdecken. Aber es gibt ein Problem, das Newtowns Gravitationsgesetz weder vorhersagen noch die Umlaufbahn des Merkur um die Sonne richtig erklären konnte. Die Umlaufbahn des Planeten verschob sich schneller als das Modell, das mit Newtons Gravitationsgesetz abgeleitet wurde.

Ein weiteres Problem in Newtons Theorie beschreibt die Schwerkraft als eine momentane Anziehungskraft zwischen zwei massiven Objekten. Wenn sich ein Objekt entfernt, weiß das andere Objekt sofort um die Bewegung aufgrund der Gravitationsänderung, unabhängig von ihrer Entfernung.
Zum Beispiel umkreist die Erde die Sonne, und die Entfernung zwischen ihnen beträgt 91 Millionen Meilen. Nehmen wir an, dass plötzlich die Sonne verschwindet. Nach Newtons Gesetz der Schwerkraft wird die Erde sofort die Auswirkungen des Verschwindens der Sonne spüren und ihre Umlaufbahn verlieren und sich in einer geraden Linie bewegen. Dieses Verhalten scheint unrealistisch und nicht gut erklärt mit Newtons Gravitationsgesetz.

Noch wichtiger ist, dass Newtons Gravitationsgesetz die Auswirkungen der Schwerkraft beschreibt, aber nicht erklärt, wie die Schwerkraft funktionierte. Newton war sich dessen sehr wohl bewusst und sag

t

200 Jahre nach dem Vorschlag von Netwons Arbeit über die Schwerkraft gab es keine Durchbrüche, um die Verletzung zu erklären, die in Newtons Gesetz der Schwerkraft identifiziert wurde. 1915 definiert Albert Einstein, ein in Deutschland geborener Physiker, die Schwerkraft neu, indem er die Allgemeine Relativitätstheorie vorschlägt. Laut Einstein ist die Schwerkraft keine Kraft wie Newton beschrieben; stattdessen eine Verzerrung der Raumzeit, die durch massive Objekte verursacht wird. Diese Verzerrung wird als Schwerkraft empfunden.

Ich weiß, dass es verwirrend ist. Warum ist die Schwerkraft keine Kraft? Was ist Raum-Zeit, und was bedeutet die Verzerrung?

Lassen Sie uns versuchen, Raum-Zeit zu verstehen. Raum wird im Allgemeinen in drei Dimensionen Länge (Dimension 1), Breite (Dimension 2) und Höhe (Dimension 3) definiert. Alle Arbeiten von Newton bezogen sich nur auf die drei Dimensionen des Raumes, aber Einstein kam mit einer neuen Idee der 4. Dimension, die Zeit genannt wird.

Warum Zeit? Nehmen wir an, Sie laden Ihren Freund ein, sich zu einem Kaffee zu treffen. Was passiert, wenn Sie nur den Ort erwähnen, um sich zu treffen, ohne die Zeit oder die Zeit zu erwähnen, um sich zu treffen, ohne den Ort zu erwähnen. In beiden Szenarien werden Sie nicht mit Ihrem Freund zu treffen, da es keine ausreichenden Informationen, es sei denn, Sie sagen sowohl den Ort und die Zeit, um zu treffen. Laut Einstein ist Raum ohne Zeit bedeutungslos. Sie können Bewegung nicht ohne Zeit beschreiben, z. B. Meter pro Sekunde. Einstein definiert Raum und Zeit als ein verflochtenes Gewebe. (Siehe unten Skizze)

Laut Einstein, wenn ein großes Objekt in einem Raum-Zeit-Gewebe platziert wird; Das Objekt verzerrt das Gewebe und erzeugt eine Krümmung proportional zu seiner Masse. Jedes andere Objekt, das in die Raum-Zeit-Warp eines massiven Objekts gelangt, wird das Phänomen der Schwerkraft erleben. Zum Beispiel verzerrt die Sonne die Raumzeit um sie herum und erzeugt Krümmung, und alle anderen Planeten drehen sich um die Sonne nicht aufgrund einer anderen Kraft, sondern nur wegen der Krümmung um sie herum.

Laut Einstein bewegen sich Objekte, die sich um die Krümmung bewegen, immer noch entlang der geraden linie, aber aufgrund einer Verzerrung der Raumzeit befindet sich die geradlinigste Linie nun entlang eines sphärischen Pfades.
Stellen Sie sich zum Beispiel einen Ball vor, der über das Trampolin rollt, es folgt einfach der Kurve. Aus der Sicht des Balles war er immer in einer geraden Linie unterwegs; es ist die Verformung der Raumzeit, die ihre Ablenkung verursacht.

Auch Lichtstrahlen, beim Überqueren massiver Objekte wie der Sonne, beugt sich wegen der Raum-Zeit-Krümmung. Dieses Phänomen wird Gravitationslinsen genannt. Dieses Verhalten wurde während der Sonnenfinsternis als richtig erwiesen, indem man die Beugung des Lichts von den Sternen um die Sonne herum misst.

Die Schwerkraft ist also laut Einstein keine Kraft. Es ist eine Krümmung in der Raumzeit.

Ich hoffe, Sie haben inzwischen ein gutes Verständnis dafür, was Schwerkraft ist.