กฎแรงโน้มถ่วง

ความโน้มถ่วง (อังกฤษ: gravity) เป็นปรากฏการณ์ธรรมชาติซึ่งทำให้วัตถุกายภาพทั้งหมดดึงดูดเข้าหากัน ความโน้มถ่วงทำให้วัตถุกายภาพมีน้ำหนักและทำให้วัตถุตกสู่พื้นเมื่อปล่อย แรงโน้มถ่วงเป็นหนึ่งในสี่แรงหลัก ซึ่งประกอบด้วย แรงโน้มถ่วง แรงแม่เหล็กไฟฟ้า แรงนิวเคลียร์แบบอ่อน และ แรงนิวเคลียร์แบบเข้ม ในจำนวนแรงทั้งสี่แรงหลัก แรงโน้มถ่วงมีค่าน้อยที่สุด ถึงแม้ว่าแรงโน้มถ่วงจะเป็นแรงที่เราไม่สามารถรับรู้ได้มากนักเพราะความเบาบางของแรงที่กระทำต่อเรา แต่ก็เป็นแรงเดียวที่ยึดเหนี่ยวเราไว้กับพื้นโลก แรงโน้มถ่วงมีความแรงแปรผันตรงกับมวล และแปรผกผันกับระยะทางยกกำลังสอง ไม่มีการลดทอนหรือถูกดูดซับเนื่องจากมวลใด ๆ ทำให้แรงโน้มถ่วงเป็นแรงที่สำคัญมากในการยึดเหนี่ยวเอกภพไว้ด้วยกัน

ความโน้มถ่วงทำให้ดาวเคราะห์ต่าง ๆ ยังคงหมุนรอบดวงอาทิตย์ ไม่หลุดออกจากวงโคจร (ภาพไม่เป็นไปตามอัตราส่วน)

นอกเหนือจากความโน้มถ่วงที่เกิดระหว่างมวลแล้ว ความโน้มถ่วงยังสามารถเกิดขึ้นได้จากการที่เราเปลี่ยนสภาพการเคลื่อนที่ตามกฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน เช่น การเพิ่มหรือลดความเร็วของวัตถุ การเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่ เป็นต้น

ประวัติศาสตร์

กฎความโน้มถ่วงของนิวตัน

ความโน้มถ่วงระหว่างวัตถุสองอัน

ในปี พ.ศ. 2230 ไอแซก นิวตัน ได้ค้นพบกฎความโน้มถ่วงดังนี้

${\displaystyle F={\frac {Gm_{1}m_{2}}{r^{2}}}}$

F	แทนความโน้มถ่วงระหว่างมวลทั้งสอง
G	แทนค่านิจโน้มถ่วงสากล
m1	แทนมวลของวัตถุแรก
m2	แทนมวลของวัตถุที่สอง
r	แทนระยะห่างระหว่างวัตถุทั้งสอง

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป

Albert Einstein ได้เผยแพร่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปในปี พ.ศ. 2459 โดยเนื้อหาแสดงถึงการอธิบายความโน้มถ่วงที่มีพื้นฐานมาจากทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษและในรูปแบบของกาลอวกาศ (อังกฤษ: Spacetime) เชิงเรขาคณิตที่สามารถอธิบายได้ด้วย (อังกฤษ: Einstein field Equation) ดังนี้

${\displaystyle R_{\mu \nu }-{1 \over 2}g_{\mu \nu }\,R+g_{\mu \nu }\Lambda ={8\pi G \over c^{4}}T_{\mu \nu }}$

${\displaystyle R_{\mu \nu }}$	แทน ริชชี่เทนเซอร์ความโค้ง (Ricci Tensor Curvature)
${\displaystyle R}$	แทนความโค้งเชิงสเกลาร์ (Scalar Curvature)
${\displaystyle g_{\mu \nu }}$	แทนเมตริกซ์เทนเซอร์
${\displaystyle \Lambda \!}$	แทนค่าคงตัวจักรวาล (Cosmological Constant)
${\displaystyle G}$	แทนค่านิจโน้มถ่วงสากล (Gravity Constant)
${\displaystyle c}$	แทนความเร็วแสง
${\displaystyle T_{\mu \nu }}$	แทนเทนเซอร์ความเค้น-พลังงาน (Stress-Energy Tensor)

หัวข้อเฉพาะ

แรงโน้มถ่วงของโลก

จาก ที่กระทำกับมวลใด ๆ จะขึ้นอยู่กับระยะทางระหว่างศูนย์กลางมวลของโลกกับศูนย์กลางมวลวัตถุยกกำลังสอง ดังนั้นแรงโน้มถ่วงของโลกบริเวณต่าง ๆ จึงมีค่าไม่เท่ากัน และเนื่องจากโลกมีการหมุนรอบตัวเองมีผลทำให้เกิดแรงหนีศูนย์กลาง แรงหนีศูนย์กลางนี้จะหักล้างกับแรงโน้มถ่วงของโลก แรงหนีศูนย์กลางจะมีค่ามากที่สุดบริเวณเส้นศูนย์สูตร และมีค่าน้อยที่สุดบริเวณขั้วโลก ผลของแรงหนีศูนย์กลางนี้ทำให้แรงโน้มถ่วงของโลกบริเวณเส้นศูนย์สูตรมีค่าน้อยกว่าแรงโน้มถ่วงของโลกบริเวณขั้วโลกเหนือ นอกจากนั้น โลกก็มิได้เป็นทรงกลมโดยสมบูรณ์ แต่แป้นตรงกลางเล็กน้อยคล้ายผลส้ม ทำให้ระยะห่างจากจุดศูนย์กลางของโลกถึงพื้นผิวโลกแปรผันไปตามละติจูด

สำหรับการคำนวณทางวิศวกรรมโดยทั่วไปความเปลี่ยนแปลงของค่าแรงโน้มถ่วงไม่ถือเป็นนัยสำคัญ จึงสามารถใช้ค่าเฉลี่ยของแรงโน้มถ่วงของโลกได้ โดยกำหนดให้ ของโลก (g) มีค่าเท่ากับประมาณ 9.81(~10) เมตรต่อวินาทีกำลังสอง