Lực hấp dẫn

Tiêu đề: Lực hấp dẫn Sun Nov 28, 2010 8:18 pm

Trong vật lý học, lực hấp dẫn là lực hút giữa mọi vật chất và có độ lớn tỷ lệ thuận với khối lượng của chúng và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách của hai vật.
Lực hấp dẫn là một trong bốn lực cơ bản của tự nhiên theo mô hình chuẩn được chấp nhận rộng rãi trong vật lý hiện đại, ba lực cơ bản khác là lực điện từ, lực hạt nhân yếu, và lực hạt nhân mạnh. Lực hấp dẫn là lực yếu nhất trong số các lực đó, nhưng lại có thể hoạt động ở khoảng cách xa và luôn thu hút.
Trong cơ học cổ điển, lực hấp dẫn xuất hiện như một ngoại lực tác động lên vật thể. Trong thuyết tương đối rộng, lực hấp dẫn là bản chất của không thời gian bị uốn cong bởi sự hiện diện của khối lượng, và không phải là một ngoại lực. Trong thuyết hấp dẫn lượng tử, hạt graviton được cho là hạt mang lực hấp dẫn.
Lực hấp dẫn của Trái Đất tác động lên các vật thể có khối lượng và làm chúng rơi xuống đất. Lực hấp dẫn cũng giúp gắn kết các vật chất để hình thành Trái Đất, Mặt Trời và các thiên thể khác; nếu không có nó các vật thể sẽ không thể liên kết với nhau và cuộc sống như chúng ta biết hiện nay sẽ không thể tồn tại. Lực hấp dẫn cũng là lực giữ Trái Đất và các hành tinh khác ở trên quỹ đạo của chúng quanh Mặt Trời, Mặt Trăng trên quỹ đạo quanh Trái Đất, sự hình thành thủy triều, và nhiều hiện tượng thiên nhiên khác mà chúng ta quan sát được.

Mục lục

Trường hấp dẫn

Việc một vật chịu lực hút từ vật khác có thể được xem rằng vật này nằm trong một môi trường đặc biệt tạo ra bởi vật kia, gọi là trường hấp dẫn. Như vậy, trường hấp dẫn có thể được định nghĩa như là một trường lực truyền tương tác giữa các vật thể có khối lượng. Trường hấp dẫn của Trái Đất do khối lượng của Trái Đất tác động lên các vật thể ở gần bề mặt của nó được gọi là trọng trường. Mọi vật có khối lượng sinh ra quanh chúng trường hấp dẫn và trường này gây ra lực hấp dẫn tác động lên các vật có khối lượng khác đặt trong nó. Cường độ trường hấp dẫn của Trái Đất tại một điểm chính là gia tốc rơi tự do tại điểm đó.
Định luật vạn vật hấp dẫn theo Newton

Isaac Newton một trong những nhà vật lý vĩ đại nhất, là người đầu tiên khám phá ra định luật này, theo đó vật có khối lượng m sẽ bị kéo về gần vật có khối lượng M với gia tốc:

với G là hằng số hấp dẫn và r là khoảng cách giữa hai vật.
Theo định luật 2 Newton, vật có khối lượng m chịu lực hấp dẫn có độ lớn:

F = m g

Công thức trên được gọi là định luật vạn vật hấp dẫn Newton, trong đó lực hấp dẫn tỷ lệ thuận với tích của hai khối lượng và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách hai khối lượng.
Trong công thức này, kích thước các vật được coi là rất nhỏ so với khoảng cách giữa chúng.
Hằng số hấp dẫn

Hằng số hấp dẫn G phụ thuộc vào hệ đơn vị đo lường, được xác định lần đầu tiên bởi thí nghiệm Cavendish năm 1797.

Nếu dùng hệ đơn vị SI:
G = 6.67 x 10^-11 N.m²/kg²
Trọng lực

Trọng lực của một vật thể trên bề mặt một hành tinh hay vật thể khác trong vũ trụ là lực hấp dẫn mà hành tinh (hay vật thể khác) tác động lên nó.
Trọng lực tiêu chuẩn

Trọng lực tiêu chuẩn ký hiệu g₀ or g_n là gia tốc danh định gây ra bởi trọng lực Trái đất ở độ cao tương đương mặt biển. Theo định nghĩa, nó tương đương 9.80665 m/s².^[1] ^[2]
Thế năng hấp dẫn

Như mọi trường véctơ có dạng tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách (ví dụ cường độ điện trường), trường véctơ lực hấp dẫn là một trường véctơ bảo toàn. Điều này nghĩa là mọi tích phân đường của véctơ lực hấp dẫn F từ vị trí r₀ đến r:

đều có giá trị không phụ thuộc vào đường đi cụ thể từ r₀ đến r.
Như vậy tại mỗi điểm r đều có thể đặt giá trị gọi là thế năng hấp dẫn:

với φ(r₀) là giá trị thế năng quy ước ở mốc r₀.
Lực nhân quãng đường là công cơ học, tức năng lượng, do đó thế năng hấp dẫn, hay thế năng nói chung, là một dạng năng lượng.
Các điểm trong trường hấp dẫn có cùng một giá trị thế năng tạo thành một mặt gọi là mặt đẳng thế. Một chất điểm nếu dịch chuyển trên một mặt đẳng thế thì không sinh công bởi vì thế năng điểm đầu và thế năng điểm cuối là như nhau. Như vậy, lực tác dụng phải có phương vuông góc với phương dịch chuyển.
Định luật vạn vật hấp dẫn theo Einstein

Hình ảnh hai chiều về sự biến dạng của không thời gian. Sự tồn tại của vật chất làm biến đổi hình dáng của không thời gian, sự cong của nó có thể được coi là hấp dẫn
Sau khi nêu rõ thuyết tương đối hẹp vào năm 1905, Albert Einstein cố gắng để làm cho nó tương thích với các lực hấp dẫn mà lan truyền với tốc độ vô hạn, trong lý thuyết của Newton, trong khi tốc độ của ánh sáng là tốc độ tối đa cho bất kỳ sự tương tác trong thuyết tương đối hẹp.
Khoảng năm 1915, các giải pháp đến từ các giả định rằng lực hấp dẫn không phải theo nghĩa thông thường nhưng là một biểu hiện của sự biến dạng của không-thời gian. Giả định này là hậu quả của sự quan sát rằng tất cả các cơ quan trong cùng một lĩnh vực hấp dẫn điều rơi như nhau, bất cứ đoàn thể hoặc thành phần hóa học. Điều quan sát này trong lý thuyết Newton đã được kiểm chứng thực nghiệm rõ ràng và đã làm chính thức hóa nguyên lý tương đương tự nhiên dẫn đến quan điểm cho rằng trọng lực là một biểu hiện của hình học không gian. Vật chất trong không gian đó gây ra sự cong của nó và tạo ra sự hấp dẫn giữa vật chất.
Lý thuyết, xây dựng như trên và mang tên Lý thuyết tương đối rộng, kết hợp các nguyên tắc của thuyết tương đối và lý thuyết Newton coi như là một xấp xỉ trong giới hạn của các trường hấp dẫn yếu kém và vận tốc nhỏ so với ánh sáng. Thật vậy, biến dạng của không-thời gian quy định dưới ảnh hưởng của các cơ quan lớn, khi chúng có một khả năng tăng tốc mạnh mẽ, sẽ không truyền nhanh hơn vận tốc ánh sáng.