万有引力定律是
艾萨克·牛顿在
1687年于《
自然哲学的数学原理》上发表的。牛顿的
普适万有引力定律表示如下:
任意两个
质点通过连心线方向上的力相互吸引。该引力的的大小与它们的
质量乘积成正比,与它们距离的平方成反比,与两物体的
化学本质或
物理状态以及中介物质无关。
用公式表示为:
:
(更严谨的表达请见下文中的
矢量式方程。)
其中:
依照
国际单位制,'的单位为
牛顿(N),'
1和'
2的单位为
千克(kg),' 的单位为
米(m),常数'近似地等于6.67 × 10
−11 N m
2 kg
−2(牛顿米的平方每千克的平方)。
可以看出
排'力'一直都将不存在,这意味着净
加速'的力是绝对的。(这个符号规约是为了与
库仑定律相容而订立的,在库仑定律中绝对的力表示两个
电子之间的排斥力。)
重力加速度
令'
1为事先已知质点的重力加速度。由牛顿第二定律知, 即。取代前面方程中的'
:
同理亦可得出'
2.
依照
国际单位制,重力加速度(同其他一般加速度)的单位被规定为
米每平方秒 (m/s
2 or m s
−2)。非国际单位制的单位有
伽利略、
单位g(见后)以及
英尺每秒的平方。
请注意上述方程中的'
1,质量'
1的加速度,在实际上并不取决于'
1的取值。因此可推论出对于任何物体,无论它们的质量为多少,它们都将按照同样的比率向地面坠落(忽略空气阻力)。
如果物体运动过程中'只有极微小的改变——譬如地面附近的自由落体运动——重力加速度将几乎保持不变(参看条目
地心引力)。而对于一个庞大物体,由于'的变化导致的不同位点所受重力的变化,将会引起巨大而可观的
潮汐力作用。
具有空间广度的物体
如果被讨论的物体具有空间广度(远大于理论上的质点),它们之间的万有引力可以以物体的各个等效质点所受万有引力之和来计算。在极限上,当组成质点趋近于“无限小”时,将需要求出两
物体间的力(矢量式见下文)在空间范围上的
积分。
从这里可以得出:如果物体的质量分布呈现均匀球状时,其对外界物体施加的万有引力吸引作用将同所有的质量集中在该物体的几何中心时的情况相同。(这不适用于非球状对称物体)。
矢量式
牛顿万有引力定律亦可通过
矢量方程的形式进行表述而用以计算万有引力的方向和大小。在下列公式中,以
粗体显示的量代表矢量。
or
其中:
r21 = | r2 − r1 |: 物体2和物体1之间的距离
可以看出矢量式方程的形式与之前给出的
标量式方程相类似,区别仅在于在矢量式中的
F是一个矢量,以及在矢量式方程的右端被乘上了相应的单位向量。而且,我们可以看出:
F12 = −
F21.
同样,重力加速度的矢量式方程与其标量式方程相类似:
:
重力场
重力场是用于描述在任意空间内某一点的物体每单位质量所受万有引力的
矢量场。而在实际上等于该点物体所受的重力加速度。
以下是一个普适化的矢量式,可被应用于多于两个物体的情况(例如在地球与月球之间穿行的火箭)的计算。对于两个物体的情况(比如说物体1是火箭,物体2是地球)来说,我们可以用 替代并用替代来将重力场表示为: :
因此我们可以得到:
:
该公式不受产生重力场的物体的限制。重力场的单位为力除以质量的单位;在
国际单位制上,被规定为N·kg
−1(牛顿每千克)。
牛顿理论存在的问题
尽管牛顿对重力的描述对于众多实践运用来说十分地精确,但它也具有几大理论问题且被证明是不完全正确的。
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