Pole grawitacyjne to przyciągające pole, które wywierane jest na każde ciało obdarzone masą na Ziemi (lub innej gwieździe ). Jest to dziedzina z przyspieszeniem , często nazywany po prostu ociężałość lub „g”. Większość ziemskiej grawitacji wynika z grawitacji , ale różni się od niej przyspieszeniem osiowym wywołanym obrotem Ziemi względem samej siebie.
Grawitacja wynika z Prawo powszechnego ciążenia z Newtonem , że wszystkie masywne ciała, ciała niebieskie oraz Ziemia wywierają pole grawitacji odpowiedzialnego za atrakcyjne życie innych organów masowych. W naziemnej ramki odniesienia The ruch obrotowy wokół osi biegunów indukuje axifugal napęd przyspieszenia, które, w połączeniu z ciężkości określa grawitacji. Tę definicję można uogólnić na inne ciała niebieskie: mówimy wtedy na przykład o grawitacji Marsa .
Siła do której ciało jest poddane ziemskiego jest nazywana masa tego ciała, jest bezpośrednio związana z grawitacji swojej masy; jego jednostką miary jest niuton , jak dla każdej siły. Siła ta określa pion miejsca , kierunek , w którym wszystkie ciała swobodne spadają w kierunku ziemi w danym miejscu i który można zmierzyć pionem .
Grawitacja Ziemi zmienia się w zależności od lokalizacji. Ze względów praktycznych Generalna Konferencja Miar i Wag określiła w 1901 roku normalną wartość przyspieszenia ziemskiego , oznaczoną g 0 , równą 9,806 65 m/s 2 lub około 9,81 m s- 2 (lub 9,81 N/kg). Wartość ta odpowiada grawitacji na idealnej elipsoidzie zbliżającej się do poziomu morza i na 45° szerokości geograficznej .
Ciężkości jest głównym składnikiem grawitacji. Wynika to z przyciągania wywieranego przez dowolną masę na inną masę. Ze wszystkimi masywnymi ciałami, w tym ciałami niebieskimi, związane jest pole grawitacji, które wywiera przyciągającą siłę na masywne obiekty. pierwszy dokładny opis grawitacji jest przez Prawo powszechnego ciążenia z Newtona :
Siła grawitacji wywierana na obiekt o masie znajdujący się w pewnej odległości od ciała niebieskiego, którego masa ma być skoncentrowana w jego środku masy ( barycenter ), jest skierowana w stronę środka gwiazdy i wynosi:
z:G jest uniwersalną stałą grawitacji . W układzie SI warto:
G = 6,674 × 10 -11 m 3 kg -1 s -2Pole grawitacyjne podlega przestrzennym dysproporcjom z powodu niejednorodności składu i topografii ciała niebieskiego. Badając anomalie trajektorii satelitów krążących wokół ciała niebieskiego, możemy wywnioskować wewnętrzny rozkład mas oraz topografię przelatującego ciała.
Grawitacja zmienia się również w zależności od położenia na Ziemi: jest słabsza na równiku niż na biegunach ze względu na nierówną wartość promieni ziemskich i maleje wraz z wysokością. Z biegiem czasu ruch mas wody spowodowany przypływami powoduje okresowe zmiany grawitacji.
Grawitacja to rzeczywiste pole siłowe obserwowane na ciele niebieskim. Na obiektach połączonych z obracającym się ciałem niebieskim, takim jak Ziemia, zawiera on osiową siłę bezwładności, która przeciwstawia się sile grawitacji (a dokładniej, jest do niej dodawana wektorowo ).
Grawitacja jest opisane pola wektorowego (zauważyć ), którego kierunek jest wskazany przez pionu i którego normą (zauważyć ) może być mierzona przez rozszerzenie sprężyny znanego sztywności lub poprzez pomiar okresu w dużym wahadła .
Obiekt o masie , w miejscu gdzie przyspieszenie grawitacyjne jest warte , pojawia się poddany działaniu siły grawitacji zwanej wagą, której wartość wynosi . Siła ta jest wywierana w dół wzdłuż pionu miejsca , kierunku , w którym wszystkie ciała swobodne spadają w kierunku ziemi w danym miejscu i który można zmierzyć pionem .
W 1903 kilogram-siła lub kilogram-waga została zdefiniowana jako jednostka miary siły. Jest to masa w masie 1 kg , w miejscu, w którym przyspieszenie ziemskie jest równa wartości normalnej przyspieszenie ziemskie , odnotowywane g n i równą 9,806 65 M S -2 .
Kilogram-siła jest przestarzałą jednostką, z definicji równą 9,806 65 niutonów .
Ziemia obracająca się wokół siebie i nie będąca gwiazdą kulistą i jednorodną, przyspieszenie grawitacyjne zależy od miejsca i następujących czynników:
Poniższy wzór podaje przybliżoną wartość normalnej wartości przyspieszenia ziemskiego w funkcji szerokości geograficznej i dla małej wysokości przed promieniem ziemskim (zazwyczaj: kilka tysięcy metrów):
z:
W celach praktycznych Generalna Konferencja Miar i Wag określiła w 1901 r. normalną wartość przyspieszenia ziemskiego, na wysokości 0, na idealnej elipsoidzie zbliżającej się do powierzchni ziemi, dla szerokości geograficznej 45°, równej 9,806 65 m / s 2 , lub 980.665 Gal (jednostka wywodząca się ze starego systemu pomiarowego CGS , wciąż czasami używana w grawimetrii, równa 1 cm / s 2 ).
W języku potocznym często mówimy o „ g ” jako jednostce grawitacji równej normalnej wartości ziemskiej grawitacji, tj. 9,806 65 m / s 2 . Przeczytamy na przykład, że grawitacja Księżyca jest równa 0,16 g , czyli 0,16 normalnej grawitacji ziemskiej, albo że astronauta w wirówce (albo pilot myśliwca z kolei) ulega przyspieszeniu 6 g - sześć razy grawitacja ziemi.
Znaczenie znajomości pola grawitacyjnego Ziemi dla geodetów jest łatwo zrozumiałe, gdy wiemy, że jego kierunek w każdym punkcie, który odpowiada pionowi miejsca wyznaczonego przez pion, jest używany jako odniesienie podczas zakładania dowolnej geodezji. przyrząd pomiarowy. W sposób bardziej szczegółowy rozumie się zainteresowanie znajomością pola grawitacji z następujących powodów:
Ciężkości jest miarą zmiany i nieprawidłowości grawitacji; jednak nie jest to bezpośrednio mierzalne: najpierw musimy zmierzyć grawitację i przypisać ją do niezbędnych poprawek, takich jak skutki obrotu Ziemi lub skutki pływów – przemieszczenie mas wody powoduje okresowe zmiany grawitacji. Pomiary grawimetryczne pozwalają na opisanie nierównomiernego rozkładu mas wewnątrz Ziemi, co powoduje nieregularności grawitacji w zależności od lokalizacji.
Ogólnie rzecz biorąc, względne zmiany g są ważniejsze dla geodety i geofizyka niż wartości bezwzględne; Rzeczywiście, pomiary różnicowe są dokładniejsze niż pomiary bezwzględne.
Maksymalna zmiana g na powierzchni Ziemi wynosi około 5 galonów (5 × 10 -2 m s- 2 ) i jest przypisywana zmienności g wraz z szerokością geograficzną. Krótsze zmiany długości fali, znane jako anomalie grawitacji geoidy, wynoszą zwykle od kilku dziesiątych do kilkudziesięciu miligalów (mg). W pewnych zjawiskach geodynamicznych, których obserwacja stała się ostatnio możliwa dzięki postępowi w oprzyrządowaniu geodezyjnym, interesują nas zmiany g w funkcji czasu, których amplituda sięga tylko kilku mikrogalów (µgal). Badania teoretyczne ( mody jądra , sekularna zmienność g ) przewidują obecnie zmiany g zlokalizowane na poziomie nanogalu (ngal).
W poszukiwaniach grawitacyjnych i inżynierii lądowej znaczące anomalie g wynoszą na ogół od kilku mikrogalów do kilku dziesiątych miligala. Aby naprawić pomysły, gdy na powierzchni Ziemi wznosi się na trzy metry, grawitacja zmienia się o około 1 mgal.
Jeżeli obiekt nie jest nieruchomy względem Ziemi , przyspieszenie Coriolisa , proporcjonalne do prędkości obiektu, dodaje się do przyspieszenia grawitacyjnego. Generalnie jest zbyt słaby, aby wywierać zauważalny efekt, ale odgrywa główną rolę w ruchach powietrza w atmosferze , w szczególności wiatru .
Nawet skorygowane o wpływ wysokości i szerokości geograficznej, a także rotacji dobowej, przyspieszenie grawitacji nie jest wystarczające, aby w pełni opisać upadek ciał na Ziemię.
Włoski uczony Galileo (1564-1642) był jednym z pierwszych, który opisał i z grubsza określił grawitację Ziemi. W mitycznym eksperymencie przeprowadzonym ze szczytu Krzywej Wieży w Pizie zauważyłby, że ciężkie kule i różnej masy mają ten sam czas upadku, ale kiedy wyjaśnia w swoim Dialogu o dwóch wielkich systemach świata dlaczego tak jest w próżni , uzasadnia eksperymentami myślowymi : w szczególności wyobrażając sobie dwa kamienie o tej samej wadze i kształcie, spadające jednocześnie i połączone lub nie łącznikiem, tworząc w ten sposób dwa oddzielne ciała o tej samej wadze lub jedno o podwójnej wadze, ale we wszystkich przypadkach o tej samej prędkości opadania.
Około 1604 roku Galileusz spostrzegł: obiekt w swobodnym spadku ma prędkość początkową równą zeru, ale gdy dociera do ziemi, jego prędkość… nie jest równa zeru. Więc prędkość zmienia się podczas upadku. Galileo proponuje proste prawo: prędkość zmieniałaby się w sposób ciągły od 0 i proporcjonalnie do czasu, jaki upłynął od początku upadku. Czyli: prędkość = stała × czas, który upłynął .
Dochodzi do wniosku, że podczas upadku przebyta odległość jest proporcjonalna do kwadratu upływającego czasu. Dokładniej: odległość = ½ stałej × upływ czasu 2 (z tą samą stałą jak powyżej). Jego pomysł znajduje potwierdzenie w eksperymencie, z ręcznie wykonanym materiałem: pochylonym rynsztokiem, wzdłuż którego rozmieszczone są dzwonki wskazujące przejście piłki.
Jeżeli obiekt nie jest ważony w próżni, jego zmierzona „ masa ” jest równa ciężarowi wynikającemu z jego masy pomniejszonej o ciężar objętości wypartego powietrza ( ciąg Archimedesa ). Bez tej korekty pomiar masy kilograma piór jest mniejszy niż kilograma ołowiu (ponieważ objętość tego kilograma piór jest większa niż objętość tego samego kilograma ołowiu, a napór Archimedesa jest zatem ważniejsze).
Tarcia o powietrze powoduje aerodynamiczne siły, a w szczególności przeciągania , która przeciwstawia się ruch, który powoduje spadek kulka szybciej niż jednej dużej części tej samej masie .
Na Księżycu grawitacja jest około sześciokrotnie mniejsza niż na Ziemi (około 1,6 m/s 2 wobec 9,8 m/s 2 ), ze względu na mniejszą masę Księżyca (81,3 razy mniejszą) i pomimo mniejszego promienia (3,67 razy). mniejszy). To wyjaśnia niezwykłe postępy astronautów amerykańskiego programu kosmicznego Apollo . Zjawisko to zostało wyczekiwane i spopularyzowane w albumie Tintina On a Marche sur la Lune .