Gravitační a tíhová síla: Pochopení klíčových rozdílů

Ve fyzice se často setkáváme s pojmy gravitační síla a tíhová síla, které bývají v běžné řeči zaměňovány. Ačkoliv spolu úzce souvisí, představují odlišné fyzikální jevy s rozdílnými charakteristikami a důsledky. Pro správné porozumění dynamiky pohybu na Zemi a ve vesmíru je klíčové tyto rozdíly pochopit.

Co je gravitační síla?

Gravitační síla je univerzální síla, která působí na všechna tělesa ve vesmíru. Je to síla slabá, slabší než síla jaderná a síla elektromagnetická. Je ale silou univerzální, působí na všechny tělesa, nelze ji nijak odstínit a působí do nekonečna. Proto hraje ve vesmíru důležitou roli ve stavbě větších vesmírných těles: planet, hvězd, hvězdokup, galaxií, a způsobuje neustálé obíhání planet po oběžné dráze kolem Slunce.

Isaac Newton popsal gravitační sílu matematickým vztahem. Každá dvě tělesa se vzájemně přitahují gravitačními silami, které jsou stejně velké, ale opačného směru. Velikost této síly závisí na hmotnosti dvou objektů, mezi kterými síla působí, a na jejich vzdálenosti. Gravitační síla, kterou Země na dané těleso působí, je přímo úměrná hmotnosti tělesa m.

Pro popis gravitační síly platí vztah:

\[ F_\mathrm{g} = \kappa \frac{M m}{r^2} \]

Čtěte také: Chov daňka obecného a jeho specifika v českém prostředí

kde κ je gravitační konstanta (\(6,67 \times 10^{-11}\ \mathrm{N\cdot m^2\cdot kg^{-2}}\)), M jsou hmotnosti těles a r jejich vzdálenost.

Gravitační síla Země působí vždy do středu Země svislým směrem. Zrychlení, které uděluje přitažlivá síla Země tělesu při jejím povrchu, se nazývá gravitační zrychlení a_g. Gravitační zrychlení nezávisí na hmotnosti padajícího tělesa, jeho hodnota závisí pouze na hmotnosti planety, poloměru a gravitační konstantě.

Gravitační pole

Gravitační silové pole je prostor kolem každého hmotného tělesa, ve kterém působí gravitační síly tohoto hmotného tělesa. Lidé postupně pochopili, že tělesa svojí přítomností ovlivňují vlastnosti okolního prostoru - vytvářejí kolem sebe pole. Hmotná tělesa (všechna) vytvářejí pole gravitační. Pokud se do takového pole dostane jiné těleso, bude na ně působit síla. Říkáme, že pole má silové účinky.

Intenzitu gravitačního pole jsme definovali vztahem \(a_\mathrm{g} = \frac{F_\mathrm{g}}{m}\). Intenzita gravitačního pole je veličina fyzikálně nadbytečná - má stejný význam jako gravitační zrychlení.

Existuje několik způsobů, jak si představit gravitační pole:

Čtěte také: Bezpečné používání diisokyanátů

• Siločáry: Siločára je křivka, která v každém místě ukazuje směr gravitační síly. V okolí sféricky symetrických těles, typicky v okolí planet a hvězd, se siločáry paprsčitě sbíhají. V malé oblasti prostoru u povrchu Země můžeme siločáry gravitačního pole považovat za rovnoběžné (homogenní pole).
• Vektorové pole: Do každého bodu pole umístíme vektor, který ukazuje směr gravitační síly a jehož délka vyjadřuje, jak je pole v daném bodě silné. Vektor \(a_\mathrm{g}\) popisuje současně i pohyb tělesa v gravitačním poli: dělíme-li sílu hmotností, dostáváme zrychlení.
• Ekvipotenciální plochy: Určité těleso má ve všech místech ekvipotenciální plochy stejnou potenciální energii. Potenciální energie tělesa v daném místě gravitačního pole je definována jakožto práce, kterou vykoná gravitační síla při přenesení tohoto tělesa z vybraného místa do předem zvoleného referenčního bodu.

Co je tíhová síla?

Tíhová síla je gravitační síla u povrchu Země ovlivněná rotací Země. Na všechna tělesa na povrchu Země působí tedy dvě síly: gravitační síla \(F_\mathrm{g}\), směřující ke středu Země, a odstředivá síla \(F_\mathrm{od}\), směřující od osy otáčení Země. Tíhová síla (\(F_\mathrm{G}\)) je poté výslednou silou, která působí na těleso v gravitačním poli rotující planety. Tento součet (gravitační a odstředivé síly) označujeme jako tíhovou sílu \(F_\mathrm{G}\).

Pojmem tíhová síla se také často zaměňuje s pojmem tíha. Tíhová síla se mění se zeměpisnou šířkou a je vždy menší než gravitační síla a nemá (kromě na rovníku a na pólech) s ní ani stejný směr. Tíhová síla nesměřuje přesně do středu planety.

Když člověk stojí v klidu na váze, váha ukazuje velikost tíhové síly. Tíhová síla definuje pro pozorovatele na Zemi svislý směr. Jednoduše řečeno, zavěsíme-li na povrchu Země těleso na provázek, má tíhová síla směr provázku. Tíhová síla je vždy kolmá na klidnou vodní hladinu v daném místě na Zemi.

Odstředivá síla a rotace Země

Všechna tělesa ve vesmíru jsou v neustálém pohybu a co se planet týče, tak ty mj. obíhají kolem svých hvězd a také rotují kolem své vlastní osy. Kdyby se naše planeta neotáčela, působila by na nás pouze gravitační síla. Avšak Země se neustále otáčí kolem své osy. Při tomto pohybu vzniká odstředivá síla.

Pozorovatel fyzikálních dějů spojený s povrchem otáčející se Země tvoří, přísně vzato, neinerciální vztažnou soustavu. Kromě reálných sil, kterými na sebe tělesa skutečně působí, pozoruje i přítomnost setrvačných sil. Mezi tyto setrvačné síly patří i síla odstředivá (\(F_\mathrm{od}\)).

Čtěte také: Více o skladbě střech Sika

Velikost gravitační síly \(F_\mathrm{g}\) je pro dané těleso na všech místech povrchu stejná, velikost odstředivé síly \(F_\mathrm{od}\) se však mění se zeměpisnou šířkou:

• Na zemských pólech je odstředivá síla nulová, proto je tíhová síla rovna gravitační síle.
• Vzdalujeme-li se od pólů, zvětšuje se poloměr r kruhové trajektorie příslušného místa na povrchu Země a odstředivá síla se zvětšuje.
• Největší velikost má odstředivá síla na zemském rovníku. Tíhová síla \(F_\mathrm{G}\) má proto na rovníku nejmenší velikost, směřuje ke středu Země.

Proto se ve výsledku člověk na rovníku cítí lehčí než na pólu. Tíhová síla má pak menší velikost než gravitační síla a má také jiný směr - nesměřuje do středu Země. V důsledku toho, s výjimkou pólů a rovníku, nesměřují svislé zdi domů přesně do středu Země, vodorovná hladina není přesně kolmá na spojnici daného místa a těžiště Země. Nicméně, Země se otáčí pomalu, a výše popsaný efekt je velmi slabý.

Tíhové zrychlení a tíhové pole

Podobně máme místo gravitačního zrychlení \(a_\mathrm{g}\) tíhové zrychlení \(g\). Tíhové zrychlení je definováno vztahem \(\Vec{g} = \frac{\Vec{F}_\mathrm{G}}{m}\). Zrychlení g vyjadřuje intenzitu tíhového pole na povrchu Země.

Tíhové zrychlení se mění i se zeměpisnou šířkou: nejmenší je na rovníku, největší na zeměpisných pólech (sledujeme-li jeho velikost ve stejné výšce, např. na hladině moře). Dohodou bylo stanoveno normálové tíhové zrychlení \(g_\mathrm{N} \approx 9,81\ \mathrm{m\cdot s}^{-2}\), jehož velikost odpovídá přibližně tíhovému zrychlení na 45° severní zeměpisné šířky při hladině moře.

Prostor při povrchu Země, v němž se projevují účinky tíhové síly se nazývá tíhové pole Země. Při zakreslování sil, které působí na tělesa (hmotné body), tedy zásadně zakreslujeme tíhovou (a ne gravitační) sílu.

Tíha

Ani tíhová síla není ale vždy rovna velikosti síly, jakou tlačí např. těleso na podložku. Proto zavádíme tíhu G. Tíha G je síla, kterou působí dané těleso v gravitačním poli na podložku nebo závěs. Jde v podstatě o tlakovou sílu na podložku (způsobenou tíhovou silou). Působištěm tíhy je místo kontaktu s podložkou. Příkladem je koule na stole, která působí tíhou na desku stolu, přičemž působiště je styčná plocha koule a stolu.

Kdyby výtah začal padat volným pádem, bude naše tíha dokonce nulová. Těleso, které není v kontaktu s žádným jiným tělesem, zažívá tzv. stav beztíže, který známe u kosmonautů ve vesmíru. Působení tíhové síly na těleso nemá vždy pohybové účinky. Jestliže těleso leží na stole nebo je pověšeno, tak působí těleso tlakovou silou na stůl nebo tahovou silou na závěs. Tuto sílu pak nazýváme tíha tělesa G. Existence tíhové síly umožňuje vážení.

Shrnutí rozdílů

Pro přehlednost si shrňme klíčové rozdíly mezi gravitační a tíhovou silou:

Protože ale rozdíl velikostí a směrů tíhové a gravitační síly je velmi malý (menší než 1%), často se v běžné mluvě zaměňují.

tags: #gravitační #a #tíhová #síla #rozdíly

Oblíbené příspěvky:

• Vše o instalatérských PVC přechodkách
• Role palisád ve středověkých opevněních
• Dřevěný kulatý stůl
• Průvodce ručním broušením OSB desek
• Kotvení do dutého zdiva