Gravitační pole je atraktivní oblast , která působí na každý subjekt, dotoval s hmotou na Zemi (nebo jiné hvězdy ). Jedná se o oblast o zrychlení , často nazýván jednoduše tíže nebo „g“. Většina zemské gravitace je způsobena gravitací , ale odlišuje se od ní axiálním zrychlením vyvolaným rotací Země na sobě.
Gravitace pramení z Newtonův gravitační zákon o Newtona , že všechny masivní těla, nebeská tělesa a Země vyvinout pole gravitace odpovědné za přitažlivou sílu na jiných hromadných těl. V pozemském referenčním rámci rotační pohyb kolem osy pólů indukuje zrychlení pohonu axifuge, které v kombinaci s gravitací definuje gravitaci. Tuto definici lze zobecnit na jiná nebeská tělesa: pak mluvíme například o gravitaci Marsu .
Síly , na které je těleso podrobeno v důsledku gravitace, se nazývá hmotnost tohoto tělesa a je přímo závislá na závažnosti jeho hmotností; jeho měrnou jednotkou je newton , stejně jako u jakékoli síly. Tato síla definuje svislost místa , směr, ve kterém všechna volná tělesa padají k zemi v daném místě a který lze měřit olovnicí .
Gravitace Země se liší v závislosti na poloze. Z praktických důvodů definovala Generální konference vah a měr v roce 1901 normální hodnotu gravitačního zrychlení , zaznamenanou g 0 , která se rovná 9,806 65 m / s 2 nebo přibližně 9,81 m s −2 (neboli 9,81 N / kg). Tato hodnota odpovídá gravitaci na ideálním elipsoidu blížícím se hladině moře a 45 ° zeměpisné šířky .
Gravitace je hlavní složkou gravitace. Vyplývá to z přitažlivosti vyvolané jakoukoli hmotou na jinou hmotu. Ke všem masivním tělesům, včetně nebeských těles, je přidruženo gravitační pole, které působí na hmotné objekty atraktivní silou. První přesný popis gravitace je dán Newtonův gravitační zákon o Newton :
Gravitační síla vyvíjená na hmotný objekt nacházející se ve vzdálenosti od nebeského tělesa, jehož hmota má být soustředěna ve svém středu hmoty ( barycentrum ), je směrována do středu hvězdy a rovná se:
s:G je univerzální gravitační konstanta . V systému SI stojí za to:
G = 6 674 × 10 −11 m 3 kg −1 s −2Gravitační pole podléhá prostorovým rozdílům v důsledku heterogenit ve složení a topografiích nebeského tělesa. Studiem anomálií v trajektoriích satelitů obíhajících kolem nebeského tělesa můžeme odvodit vnitřní rozložení hmot a topografii přeletěného těla.
Gravitace se také liší podle polohy na Zemi: na rovníku je slabší než na pólech kvůli nerovnoměrné hodnotě zemských paprsků a klesá s nadmořskou výškou. V průběhu času pohyb vodních hmot v důsledku přílivu a odlivu způsobuje periodické změny gravitace.
Gravitace je skutečné silové pole pozorované na nebeském tělese. Na objektech spojených s rotujícím nebeským tělesem, jako je Země, zahrnuje axiální sílu setrvačnosti, která působí proti gravitační síle (přesněji se k ní přidává vektorově ).
Gravitační pole je popsáno vektorovým polem (uvedeno ), jehož směr je vyznačen olovnicí a jehož normu (lze poznamenat ) lze měřit prodloužením pružiny o známé tuhosti nebo měřením periody těžkého kyvadla .
Objekt hmoty se na místě, kde stojí gravitační zrychlení , jeví vystaven gravitační síle zvané váha, jejíž hodnota je . Tato síla je vyvíjena dolů podél svislice místa , směru, ve kterém všechna volná tělesa padají k zemi v daném místě a který lze měřit olovnicí .
V roce 1903 byla kilogramová síla neboli kilogramová hmotnost definována jako měrná jednotka síly. Je to hmotnost 1 kilogramu hmoty v místě, kde se gravitační zrychlení rovná normální hodnotě gravitačního zrychlení , zaznamenané g n, a rovná 9,806 65 m s −2 .
Kilogram-síla je zastaralý jednotka, která se rovná 9.806 65 newtonů podle definice .
Země rotující sama o sobě a není sférická a homogenní hvězda, gravitační zrychlení závisí na místě a na následujících faktorech:
Následující vzorec udává přibližnou hodnotu normální hodnoty gravitačního zrychlení jako funkce zeměpisné šířky a pro nízkou nadmořskou výšku před pozemským poloměrem (obvykle: několik tisíc metrů):
s:
Z praktických důvodů definovala Generální konference vah a měr v roce 1901 normální hodnotu gravitačního zrychlení v nadmořské výšce 0 na ideálním elipsoidu přibližujícím se k zemskému povrchu, pro šířku 45 °, což odpovídá 9,806 65 m / s 2 nebo 980,665 Gal (jednotka odvozená ze starého měřicího systému CGS , která se někdy někdy používá v gravimetrii, rovná 1 cm / s 2 ).
V běžném jazyce často mluvíme o „ g “ jako o jednotce gravitace rovnající se normální hodnotě pozemské gravitace, tj. 9,806 65 m / s 2 . Dočítáme se například, že měsíční gravitace se rovná 0,16 g , to znamená 0,16násobek normální pozemské gravitace, nebo že astronaut v odstředivce (nebo stíhací pilot za sebou) podstoupí zrychlení 6 g - šest krát gravitace Země.
Důležitost znalosti gravitačního pole Země pro geodety lze snadno pochopit, když víme, že jeho směr v každém bodě, který odpovídá svislosti místa poskytovaného olovnicí, se používá jako reference při zakládání geodetických prvků měřicí přístroj. Podrobněji pochopíme zájem o znalosti gravitačního pole z následujících důvodů:
Gravitace je míra změny a nepravidelností gravitace; to však není přímo měřitelné: musíme nejprve změřit gravitaci a přiřadit ji k potřebným korekcím, jako jsou efekty způsobené rotací Země nebo efekty způsobené přílivy a odlivy - posunutí mas vody vytváří periodické variace gravitace. Gravimetrická měření umožňují popsat nerovnoměrné rozložení hmot uvnitř Země, což v závislosti na poloze indukuje gravitační nepravidelnosti.
Obecně platí, že relativní variace g jsou pro geodeta a geofyzika důležitější než absolutní hodnoty; Diferenční měření jsou skutečně přesnější než absolutní měření.
Maximální variace g na zemském povrchu je přibližně 5 gal (5 × 10 -2 m s -2 ) a lze ji přičíst variaci g se zeměpisnou šířkou. Kratší variace vlnové délky, známé jako anomálie geoidní gravitace , jsou obvykle od několika desetin do několika desítek miligalů (mgal). U určitých geodynamických jevů, jejichž pozorování je v poslední době možné díky pokroku v geodetické instrumentaci, nás zajímají variace g jako funkce času, jejichž amplituda dosahuje pouze několika mikrogalů (µgal). Teoretické studie ( režimy jádra , sekulární variace g ) v současné době předpokládají variace g umístěné na úrovni nanogal (ngal).
V gravitačním průzkumu a ve stavebnictví jsou významné anomálie g obvykle mezi několika mikrogaly a několika desetinami miligalu. Chcete-li opravit myšlenky, když se na povrchu Země jeden zvedne o tři metry, gravitace se mění přibližně o 1 mgal.
Pokud objekt nestojí vůči Zemi , přidá se zrychlení Coriolis , úměrné rychlosti objektu, k gravitačnímu zrychlení. Je obecně příliš slabý na to, aby měl znatelný účinek, ale hraje hlavní roli v pohybech vzduchu v atmosféře , zejména ve větru .
Dokonce i po korekci vlivu nadmořské výšky a šířky, stejně jako denní rotace, gravitační zrychlení nestačí k úplnému popisu pádu těles na Zemi.
Italský učenec Galileo (1564-1642) byl jedním z prvních, kdo popsal a zhruba kvantifikoval gravitaci Země. Mýtickým experimentem provedeným z vrcholu Šikmé věže v Pise by si všiml, že těžké kulky různé hmotnosti mají stejnou dobu pádu, ale když ve svém Dialogu o dvou velkých systémech světa vysvětluje, proč je tedy ve vakuu , ospravedlňuje to myšlenkovými experimenty : zejména představováním dvou kamenů stejné hmotnosti a tvaru, padajících současně a spojených nebo ne spojením, čímž tvoří dvě samostatná tělesa stejné hmotnosti nebo jediné z dvojnásobná hmotnost, ale ve všech případech stejná rychlost pádu.
Kolem roku 1604 použil Galileo pozorování: objekt ve volném pádu má počáteční rychlost nula, ale když dosáhne země, jeho rychlost… není nula. Rychlost se tedy během pádu mění. Galileo navrhuje jednoduchý zákon: rychlost se bude měnit plynule od 0 a úměrně času uplynulému od začátku pádu. Takže: rychlost = konstantní × uplynulý čas .
Došel k závěru, že během pádu je ujetá vzdálenost úměrná druhé mocnině uplynulého času. Přesněji: vzdálenost = ½ konstanta × uplynulý čas 2 (se stejnou konstantou jako výše). Jeho myšlenka je potvrzena v experimentu s materiálem vyrobeným jeho rukou: nakloněný žlab, podél kterého jsou uspořádány zvony, které označují průchod koule.
Pokud se předmět neváží ve vakuu, jeho naměřená „ hmotnost “ se rovná hmotnosti způsobené jeho hmotou menší než hmotnost objemu vytlačeného vzduchu ( Archimédův tah ). Bez této korekce je měření hmotnosti kilogramu peří menší než u kilogramu olova (protože objem tohoto kilogramu peří je větší než objem stejného kilogramu olova, a tah Archimeda je tedy důležitější).
Třením o vzduch způsobuje aerodynamické síly a zejména tažením , které se staví proti pohybu, což způsobuje malý míček padat rychleji než velké jeden z téže hmoty .
Na Měsíci je gravitace asi šestkrát menší než na Zemi (asi 1,6 m / s 2 proti 9,8 m / s 2 ), kvůli nižší hmotnosti Měsíce (81,3krát méně) a přes jeho menší poloměr (3,67krát menší). To vysvětluje mimořádné skoky astronautů amerického vesmírného programu Apollo . Tento jev byl očekáván a popularizován v Tintinově albu On a Marche sur la Lune .