Βαρύτητα

Η ιστορία της βαρυτικής θεωρίας

Υπήρξαν πολλές θεωρίες για την βαρύτητα από την εποχή του Έλληνα φιλόσοφου Αριστοτέλη τον 4ο αιώνα π.Χ.. Πίστευε πως δεν υπήρχε δράση χωρίς αιτία και επομένως δεν υπήρχε κίνηση χωρίς κάποια δύναμη. Συμπέρανε ότι όλα τα αντικείμενα προσπαθούσαν να κινηθούν προς την κατάλληλη θέση τους στις κρυστάλλινες ουράνιες σφαίρες και ότι τα σώματα έπεφταν προς το κέντρο της γης ανάλογα με το βάρος τους. Το 628, ο Ινδός αστρονόμος Βραχμαγκούπτα (Brahmagupta) ήταν ο πρώτος που διαπίστωσε πως η βαρύτητα ήταν μια ελκτική δύναμη. Εξηγούσε πως "τα σώματα πέφτουν προς τη γη καθώς είναι στη φύση της γης να έλκει σώματα, όπως είναι στη φύση του νερού το να ρέει". Ο Σανσκριτικός όρος που χρησιμοποιούσε για τη βαρύτητα, 'gurutvā-karṣaṇam', σήμαινε 'η έλξη του βάρους'. Ο Βραχμαγκούπτα επίσης υιοθέτησε το ηλιοκεντρικό σύστημα για την βαρύτητα, το οποίο είχε νωρίτερα αναπτύξει ο Αριαμπιάτα (Aryabhata) το 499.
Εργαζόμενος πάνω σε αυτές τις ιδέες, το 1687 ο Άγγλος μαθηματικός Σερ Ισαάκ Νεύτων (Sir Isaac Newton) δημοσίευσε το διάσημο έργο του "Principia", στο οποίο και διατυπώθηκε το πρώτο αξίωμα για την βαρύτητα, το οποίο είχε παγκόσμια ισχύ γραμμένο στη λατινική γλώσσα. Όπως το έθεσε ο ίδιος, "Συμπέρανα ότι οι δυνάμεις που συγκρατούν τους πλανήτες στην τροχιά τους πρέπει να είναι αντιστρόφως (ανάλογες) ως προς τα τετράγωνα των αποστάσεων από τα κέντρα γύρω από τα οποία περιφέρονται· και εξ αυτού συνέκρινα τη δύναμη που απαιτείται για να συγκρατεί τη Σελήνη στην τροχιά της με την ισχύ της βαρύτητας στην επιφάνεια της Γης, και τις βρήκαν να συμφωνούν με ικανοποιητική προσέγγιση". Οι περισσότεροι σύγχρονοι μη-σχετικιστικοί υπολογισμοί για τη βαρύτητα βασίζονται στο έργο του Νεύτωνα.

Η βαρύτητα στη Γη

Κάθε πλανήτης, συμπεριλαμβανομένης και της Γης, έχει τα δικά του χαρακτηριστικά όσον αφορά τη δύναμη της βαρύτητας και το μέτρο αυτής διαφοροποιείται (συνήθως μετράται στο επίπεδο της επιφάνειας του κάθε πλανήτη). Η επιτάχυνση εξαιτίας της δύναμης της βαρύτητας στη γη είναι ίση με 9.81 m/s² και συμβολίζεται με το γράμμα g. Αυτό σημαίνει ότι, αγνοώντας την αντίσταση του αέρα, για ένα αντικείμενο, που εκτελεί ελεύθερη πτώση κοντά στην επιφάνεια της γης, η ταχύτητα του θα αυξάνεται με ρυθμό 9,81 m/s για κάθε δευτερόλεπτο της πτώσης του. Έτσι, ένα αντικείμενο από κατάσταση ηρεμίας και αφού αφεθεί ελεύθερο θα έχει ταχύτητα 9,81 m/s μετά από ένα δευτερόλεπτο, 19,62 m/s μετά από δύο δευτερόλεπτα, κ.ο.κ. Το σώμα που εκτελεί ελεύθερη πτώση ασκεί και αυτό με τη σειρά του στη Γη δύναμη ανάλογου μέτρου και αντίθετης φοράς με αυτή που του ασκεί η ίδια, κάτι το οποίο σημαίνει πως η Γη επιταχύνεται προς το σώμα. Όμως, εξαιτίας της τεράστιας μάζας της Γης (και της συνεπακόλουθης αδράνειάς της) σε σχέση με το σώμα, η επιτάχυνση αυτή είναι αμελητέα.

Βαρύτητα και αστρονομία

Οι ανακαλύψεις και εφαρμογές σύμφωνα με το νόμο της Βαρύτητας του Νεύτωνα μας έχουν δώσει λεπτομερείς πληροφορίες σχετικά με τους πλανήτες στο ηλιακό μας σύστημα, τη μάζα του ήλιου και την απόσταση των μακρινών αστερισμών. Παρόλο που δεν έχουμε φτάσει σε όλους τους πλανήτες ξέρουμε τη μάζα τους και αυτό επιτεύχθηκε μέσω της μελέτης των νόμων της βαρύτητας. Στο διάστημα όλα τα σώματα βρίσκονται σε τροχιά γύρω από αντικείμενα με πολύ μεγαλύτερη μάζα και αυτό εξαιτίας της δύναμης της βαρύτητας. Οι πλανήτες βρίσκονται σε τροχιά γύρω από τους αστέρες, οι αστέρες γύρω από τα κέντρα των γαλαξιών και οι γαλαξίες γύρω από ένα κέντρο μάζας σε συστοιχίες.

Εφαρμογές

Η σωστή λειτουργία ενός μεγάλου αριθμού μηχανών, συσκευών και συστημάτων εξαρτάται με κάποιο τρόπο από τη βαρύτητα. Για παράδειγμα η διαφορά στο ύψος μπορεί να χρησιμεύσει σαν πίεση σε ένα υγρό όταν μιλάμε για ένα υδραγωγείο ή για έναν ιατρικό ορό. Επίσης, με τη βοήθεια της βαρύτητας έχουμε τη δυνατότητα να παράγουμε ηλεκτρικό ρεύμα από τα υδροηλεκτρικά εργοστάσια. Ένα ρολόι που λειτουργεί με ένα εκκρεμές βασίζει τη λειτουργία του στη δύναμη της βαρύτητας για τον υπολογισμό του χρόνου. Ο τεχνητός ορίζοντας στα αεροσκάφη και άλλα ιπτάμενα μέσα αποτελεί εφαρμογή της δύναμης της βαρύτητας για να απεικονίζει την κλίση του αεροπλάνου. Τέλος, οι τεχνητοί δορυφόροι είναι και αυτοί μια εφαρμογή της βαρύτητας που μαθηματικά είχε διατυπωθεί στο έργο "Principia" του Νεύτωνα.

Θεωρίες για τη βαρύτητα

Σήμερα υπάρχουν πολλές θεωρίες που προσπαθούν να εξηγήσουν τη φύση της βαρύτητας, αλλά και της αντιβαρύτητας (σκοτεινής ενέργειας).