Preskočiť na obsah
Chcete tieto pokusy naživo? Prinesiem ich do vašej školy ako show.Show a workshopy
Späť

Vzdelávanie · Fyzika

Gravitačné pole

lekcia 3

Gravitačné zrýchlenie a gravitačné pole

Úroveň výkladu:
základná školastredná škola, s rozšíreniami pre náročnejších

úvod

Zem priťahuje každé teleso gravitačnou silou. Keď teleso nič nedrží, sila ho rozbehne k Zemi. Zrýchlenie, ktoré mu pritom udelí, sa volá gravitačné zrýchlenie. Pri povrchu Zeme je asi 9,8 m/s², čo znamená, že rýchlosť padajúceho telesa vo vákuu narastie každú sekundu asi o 9,8 m/s.

teória

Všetky telesá padajú rovnako

Ťažšie teleso Zem priťahuje väčšou silou. Na jeho rozbehnutie však treba aj väčšiu silu. Oba vplyvy sa presne vyrovnajú, a tak gravitačné zrýchlenie nezávisí od hmotnosti padajúceho telesa. Vo vákuu padá pierko rovnako rýchlo ako kladivo. Astronaut David Scott to v roku 1971 ukázal na Mesiaci, kde niet vzduchu: pustil naraz kladivo a sokolie pierko a obe dopadli v tej istej chvíli.

Na Zemi to pre odpor vzduchu takto nevidíme. Ako sa voľný pád meria a prečo vo vzduchu padá pierko pomalšie, ukazuje lekcia Zrýchlený pohyb a voľný pád.

teória

Gravitácia slabne s výškou

Gravitačné zrýchlenie závisí od toho, ako ďaleko sme od stredu Zeme. Na vrchole Gerlachovského štítu sme od stredu o 2,7 km ďalej ako pri mori, a zrýchlenie je menšie len o necelú desatinu percenta. Vo výške 400 km, kde obieha Medzinárodná vesmírna stanica, je ešte stále asi 8,7 m/s². Astronauti sa v nej vznášajú z iného dôvodu, ku ktorému sa dostaneme v lekcii o beztiažovom stave.

Až keď sa od Zeme vzdialime o tisíce kilometrov, gravitácia výrazne zoslabne:

MiestoVýška nad povrchomGravitačné zrýchlenie
povrch Zeme0 km9,82 m/s²
Gerlachovský štít2,7 km9,81 m/s²
Medzinárodná vesmírna stanica408 km8,67 m/s²
jeden polomer Zeme nad povrchom6 371 km2,45 m/s²
družice GPS20 200 km0,56 m/s²
geostacionárne družice35 800 km0,22 m/s²
vzdialenosť Mesiaca378 000 km0,0027 m/s²

Hodnoty v tabuľke patria guľatej Zemi, ktorá sa neotáča. Ako otáčanie Zeme zmení zrýchlenie pri povrchu, ukazuje lekcia Tiažové zrýchlenie a otáčanie Zeme.

teória

Gravitačné pole a siločiary

Priestor okolo Zeme, v ktorom pôsobí jej gravitačná sila, je gravitačné pole Zeme. Kreslíme ho pomocou siločiar, čiar so šípkami, ktoré ukazujú, kam by sa v danom mieste rozbehlo voľné teleso.

  • Okolo celej Zeme sa siločiary zbiehajú do jej stredu a ďalej od Zeme sú redšie, lebo pole slabne. Také pole sa volá centrálne.
  • V malej oblasti pri povrchu, napríklad v triede alebo na ihrisku, sú siločiary prakticky rovnobežné a pole je všade rovnako silné. Také pole sa volá homogénne. Pri voľnom páde a vrhoch na Zemi s ním počítame.

vyskúšaj si

Gravitácia nad Zemou

Zem024681012345678910g (m/s²)vzdialenosť od stredu Zeme (v polomeroch Zeme)
9,82 m/s²gravitačné zrýchlenie
100 %z hodnoty pri povrchu
1koľko polomerov Zeme od stredu
491 Ngravitačná sila na teleso 50 kg

Nájdi výšku, v ktorej je gravitačné zrýchlenie polovičné oproti povrchu.

0 / 0

Čo je gravitačné pole?

0 / 0

teória

Gravitácia na iných telesách

Každé teleso má vlastné gravitačné pole. Gravitačné zrýchlenie na povrchu planéty závisí od jej hmotnosti a od jej polomeru. Väčšia hmotnosť znamená silnejšiu gravitáciu, väčší polomer slabšiu, lebo povrch je ďalej od stredu.

TelesoGravitačné zrýchlenie na povrchu
Mesiac1,6 m/s²
Merkúr3,7 m/s²
Mars3,7 m/s²
Venuša8,9 m/s²
Zem9,8 m/s²
Jupiter (horná vrstva oblakov)asi 25 m/s²
trpasličia planéta Ceres0,28 m/s²

Na Mesiaci vyskočíš asi šesťkrát vyššie ako na Zemi. Na malých telesách je gravitácia taká slabá, že sa z nich dá odraziť rovno do vesmíru. Postav si planétu a vyskúšaj to.

vyskúšaj si

Postav si planétu

Zem0,1 m1 m10 m100 m1 km10 kmZemvýška výskoku
9,81 m/s²gravitačné zrýchlenie
0,5 mvýskok (na Zemi 0,5 m)
5,97 · 10²⁴ kghmotnosť, 1-násobok Zeme
50 kgukáže váha dievčaťu s 50 kg
7,91 km/skruhová rýchlosť pri povrchu
11,18 km/súniková rýchlosť

Postav teleso, na ktorom vyskočíš šesťkrát vyššie ako na Zemi.

0 / 0

Zapamätaj si: gravitačné zrýchlenie pri povrchu Zeme je asi 9,8 m/s² a pre všetky telesá je rovnaké. S výškou nad Zemou klesá, ale nikde nie je nulové. Gravitačné pole Zeme smeruje do jej stredu, v malej oblasti pri povrchu je homogénne. Na Mesiaci je gravitačné zrýchlenie asi šesťkrát menšie.

Gravitačné zrýchlenie vo vzorci

Na teleso s hmotnosťou m vo vzdialenosti r od stredu Zeme pôsobí gravitačná sila F = κ · m · MZ : r². Podľa druhého Newtonovho zákona je F = m · a. Porovnaním dostaneme

a = κ · MZ : r²

Hmotnosť m padajúceho telesa sa vykrátila, preto všetky telesá v jednom mieste padajú s rovnakým zrýchlením. Na povrchu Zeme (r = RZ = 6 371 km) vychádza a ≈ 9,82 m/s². Vo výške h nad povrchom je

a = a₀ · (RZ : (RZ + h))²

Intenzita gravitačného poľa

Silu poľa v danom mieste vyjadruje intenzita gravitačného poľa K. Je to sila, ktorou pole pôsobí na teleso, vydelená hmotnosťou telesa:

K = F : m

Jej jednotka je N/kg. Keďže F : m je zrýchlenie, intenzita sa rovná gravitačnému zrýchleniu a 1 N/kg = 1 m/s². Intenzita je vektor so smerom do stredu Zeme. V centrálnom poli klesá s 1 : r², v homogénnom poli je všade rovnaká.

Hustota a polomer planéty

Hmotnosť guľovej planéty s priemernou hustotou ρ je M = ρ · 4/3 · π · R³. Po dosadení do a = κ · M : R² vyjde

a = 4/3 · π · κ · ρ · R

Pri rovnakej hustote je teda gravitačné zrýchlenie priamo úmerné polomeru. Planéta so zemskou hustotou a polovičným polomerom má polovičné g. Jupiter má hustotu len 1,33 g/cm³, ale jedenásťkrát väčší polomer ako Zem, a gravitačné zrýchlenie asi 2,5-krát väčšie.

rozšírenie Gravitácia pod povrchom Zeme

Ak by sme vykopali šachtu do stredu Zeme, gravitácia by nerástla do nekonečna. Vrstvy Zeme nad nami by nás totiž ťahali nahor a ich príťažlivosť by sa odčítala. V homogénnej guli by zrýchlenie smerom k stredu rovnomerne klesalo až na nulu. Skutočná Zem má hustejšie jadro, a tak zrýchlenie dolu najprv mierne rastie asi na 10,7 m/s² na hranici jadra v hĺbke 2 900 km. Až potom klesá a v strede Zeme je nulové.

teória

Časté chyby

  • „Vo výške vesmírnej stanice gravitácia nepôsobí.“ Je tam ešte asi 88 % povrchovej hodnoty.
  • „Ťažšie telesá padajú vo vákuu rýchlejšie.“ Gravitačné zrýchlenie je pre všetky telesá rovnaké.
  • „Zrýchlenie klesá s druhou mocninou výšky nad povrchom.“ Klesá s druhou mocninou vzdialenosti od stredu Zeme, teda R + h.
  • „N/kg a m/s² sú rôzne veličiny.“ Je to tá istá jednotka zapísaná dvoma spôsobmi.

Prečo je na rovníku g menšie ako na póloch a čo s tým má otáčanie Zeme, ukazuje ďalšia lekcia Tiažové zrýchlenie a otáčanie Zeme.

g na planétach a vo výške nad Zemou

Gravitačné zrýchlenie

príklad 1

0 / 0

rozumieš tomu?

Otestuj sa

4 otázok · úroveň ZŠ4 otázok · úroveň SŠ

Kvíz: Gravitačné zrýchlenie a gravitačné pole

Otázka 1/4

Ako sa mení gravitačné zrýchlenie, keď letíme vyššie nad Zem?

Skóre: 0

Najprv vyber odpoveď.

Chcete tento pokus naživo?

Ukážem ho vašim žiakom na chemickej show: 15 pokusov za jednu hodinu, 5 € na žiaka.

Rezervovať termín

Nahlásiť chybu

Chyba v texte, zlá odpoveď alebo niečo, čo nefunguje? Stačí pár slov.

Čo sa stalo?
vedeckeokienko.sk/

Hlásenie uvidí len správca webu. Osobné údaje sem nepatria. Ochrana osobných údajov