宇宙物理学:重力和引力一样么?

宇宙物理学:重力和引力一样么?

作者 | 宇宙物理学

本文字数2000字,阅读时长8分钟。

01引言

重力和引力,是我们生活中经常听到的两个词汇。

很多人认为重力就是引力,这两个概念是一个意思——但这种想法并不正确。

今天宇宙君就来把它们放在一起,细细讲解,看看这两个概念究竟有何不同。

02先说引力

引力又被称为万有引力,这是因为任意两个物体或者粒子之间都存在着引力。

引力是宇宙中四种基本相互作用力之一,其余的三种分别是:强力,弱力和电磁力。现在弱力和电磁力已经被统一到了一起了,但是我们还是习惯说四种基本相互作用。

引力是四种相互作用力中最弱的一种,两个质子间的万有引力只有它们间的电磁力的1/(1.235*10的36次方),即1.235万亿亿亿亿分之一。

引力的大小,可以用牛顿的万有引力定律来计算:

引力形成的原因,目前来说科学界并无定论。其中最具说服力和想象力的是广义相对论,认为万有引力是由于时空弯曲而产生。

简单来解释一下吧:众所周知,两点之间线段最短,这是在平面几何中的公理;这线段就是短程线。然而,在被弯曲的四维时空里,短程线也被弯曲了,所以产生了引力这种效果。

03再说重力

重力是我们从初中阶段就开始学习的力,也是最重要、最常见的力之一。但是,国内外各种书籍对重力概念的定义不尽一致,基本上分为以下几类。

为了突出重点,我把文字用图片表示出来了,红色为重点信息。

这些概念如果看的不太明白,也没关系,下面会把以上概念再分成两类

第一类说法:重力就是引力——地球对物体的吸引产生的力。(包括上图中的第1,第2,第5)

第二类说法:重力是某个力的平衡力——比如悬线的拉力,地表的支持力等或是自由落体加速度效果的产生原因。(包括上图中的第3,第4)

这两种说法在某种程度上都是对的,只是看待重力的精细程度不同而已。

第一种说法,其实是非常粗糙的;而第二种说法,则更接近本质。

从第二种说法来看,重力和引力是不同的。

04重力和引力的关系

通常所指的重力是由于引力而产生的,重力是引力的一部分;但我们也听过人造重力,这种重力的产生不是由于引力,而是由于运动。

重力是一种作用效果,所谓的效果,其实就一种感觉。

重力是支持力的体现

而引力是与距离和质量相关一种基本作用,这种作用有着严格的计算方法(万有引力)。

但是,我们要知道,一个力的大小一个力的作用效果之间并不是那种直接明了的关系,还和很多其他要素有关。

比如同样一个力,作用在不同质量的物体上,产生的加速度(其实就是作用效果)就不同;同样的力,作用在不同运动的物体上,产生的效果也不同。

所以,重力是引力的一种作用效果,这种效果不止跟引力有关还和其他因素有关——比如地球自转;

产生重力的效果,不仅仅只能依靠引力,还可以依靠运动——比如,坐在一个做圆周运动的空间里,会产生和重力一样的作用效果。

自有落体其实是一种失重状态

下面通过进行具体的计算来分析和说明。

05考虑地球自转,具体计算分析

我们随着地球一起自转,这个转动速度是非常快的,约430米每秒,已经超过声速了。

因此,我们会需要一个力来维持这种圆周运动,这个力,通常被称为向心力。

向心力并不是一种具体属性的力,而是一种效果力,这里在不影响说明的情况下,姑且把它称为一个力。

这个力的大小可以用向心力公式来计算:

我们在地球表面,受到地球的万有引力是:

那么,真正我们感受到的效果,也就是感受到的重力是:

也就是说,引力的一部分,提供了我们随着地球做圆周运动的向心力;另一部分,让我们产生了重重的感觉——即产生了重力。

由于F向只有F引的3%~4%,所以,在不精确的分析中,我们认为G=F引,即重力等于引力——这就是为什么很多人混淆这两个概念的原因。

进一步分析

如果,向心力变大了,比如地球自转的速度增大了,此时引力是不会变化的,那么重力就会减少。

根据上图中的式子,这是显而易见的。

我们想象一下极限情况,当向心力等于引力时,重力就变为了0,也就是我们完全失重了!

我们会飘在空中,而不会像现在这样紧紧贴在地面上——其实,空间站中的宇航员,就是处于这种状态,他们的引力依然存在,和地面差不多大,但是重力完全为零——因为他们随着空间站一起,绕地球高速飞行,向心力等于重力了。

对了,要达到这种“向心力等于引力,重力变为0”的速度,就是我们常说的第一宇宙速度,大小约为8公里每秒钟。

06自由落体和圆周运动

下面再来分析运动对重力的影响。

第一,自由落体:

当我们做自由落体运动时,由于只受到引力的作用,所以全部的加速度都来源于引力。

这个加速度同样包括“随地球自转的圆周运动向心加速度”和“相对地面的自由落体加速度”。

这两个加速的效果,占用了全部的引力,所以,重力也是为0——因此,自由落体运动也是一个完全失重的状态。

第二,加速运动:

为了产生重力的效果,其实不一定需要引力,加速运动同样可以做到。

当你坐在一个飞船里,朝着一个方向加速度的时候,你会感觉(或者说需要)来自于飞船的支持力,这个支持力维持了你的加速运动状态——也让你产生了重力的感觉。

同样,当你坐在一个转动的飞船里,向心加速度也会产生重力的效果。

以上两种情况,可以看出运动对重力的影响。

06结语

经过上面的讲解,相信各位读者对重力和引力的关系,已经有了较为清晰的认识。

这里简单总结一下:

重力是一种效果力,可以来源于引力,也可以来源于运动;

通常说的重力和引力,由于大小差不多,所以被混为一谈了;

引力的本质还未探明,但是广义相对论对引力的解读目前最为流行。

(完)

参考资料:

百度百科:万有引力《费曼物理学讲义》《苏格爸的奇妙物理》

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