Ορισμένες γλώσσες σε αυτόν τον ιστότοπο ενδέχεται να έχουν μεταφραστεί αυτόματα και να περιέχουν σφάλματα. Βοηθήστε να βελτιωθεί Διαβάστε το πρωτότυπο στα Αγγλικά
  1. Μάθε
  2. Πλοηγός
Πλοηγός · Ενότητα 1

Newton's gravity

One law explains falling apples, the Moon's orbit and the path of every planet. Fire Newton's cannon and find out how.

12 λεπτά

NASA/JPL/Space Science Institute

Αυτό το μάθημα συντάχθηκε από έναν Local Solar System Αυτό το άρθρο είναι μέλος της ομάδας του Ιδρύματος και θα μπορούσε να βελτιωθεί από έναν ειδικευμένο κριτικό. Είστε ειδικευμένος σε αυτό το θέμα; Προτείνετε μια επεξεργασία

Το κανόνι του Νεύτωνα

Άνοιγμα πλήρους σελίδας

Ταχύτητα εκτόξευσης
Ταχύτητα κυκλικής τροχιάς εδώ
Ταχύτητα διαφυγής εδώ

Το βουνό είναι σχεδιασμένο πολύ ψηλότερα από οποιοδήποτε πραγματικό, έτσι ώστε να μπορείτε να το δείτε.Η αντίσταση του αέρα αγνοείται.

Πίνακας δεδομένων (εναλλακτικό κείμενο)

Μεταξύ της κυκλικής ταχύτητας και της ταχύτητας διαφυγής: περιφέρεται σε τροχιά. Στην ή πάνω από την ταχύτητα διαφυγής: φεύγει για πάντα.

Ταχύτητες που χρειάζονται στην κορυφή του βουνού
ΠλανήτηςΤαχύτητα κυκλικής τροχιάς εδώΤαχύτητα διαφυγής εδώ
Γη7,61 km/s10,8 km/s
Σελήνη1,62 km/s2,29 km/s
Μάιος3,42 km/s4,84 km/s

The force that pulls an apple to the ground is the same force that holds the Moon in its orbit and the planets around the Sun. Isaac Newton’s great idea was that one law explains them all. Here you will fire his cannon and find out why.

The full Moon.
The full Moon, a mosaic from NASA's Lunar Reconnaissance Orbiter. Credit: NASA

The Moon is falling towards Earth all the time. It just keeps missing.

Look

Drop a ball and it falls. Throw it sideways and it still falls, but it lands farther away. Isaac Newton asked a simple question: what if you threw it really fast?

Imagine a cannon on top of an impossibly tall mountain, above the air. Fire a cannonball slowly and it curves down and hits the ground. Fire it faster and it lands farther away. Because Earth is round, the ground curves away beneath the ball. At just the right speed, the ground curves away exactly as fast as the ball falls. The ball keeps falling, but never lands. It is in orbit.

Try it with the cannon above. Start slow, then go faster:

  • Too slow: it falls back (red).
  • Just right: it goes all the way around (green).
  • Much faster: it escapes and never comes back (yellow).

This is also why astronauts float. They are not beyond gravity. They, and their spacecraft, are falling around Earth together.

Understand

Newton’s law of universal gravitation says every mass pulls on every other mass:

F = G · M · m / r²

  • F is the force, M and m the two masses, r the distance between their centres.
  • G is the gravitational constant: 6.674 × 10⁻¹¹ N m² kg⁻².

Two ideas are packed into it:

  1. Heavier things pull harder. Double the mass, double the force.
  2. Distance weakens it fast. Double the distance and the force drops to a quarter. That is the inverse-square law.

Near a planet, the acceleration of anything falling is g = GM / r². For Earth that gives about 9.8 m/s² at the surface. At the height of the International Space Station (about 420 km), r is only 7% larger, so gravity is still about 88% as strong.

For a circular orbit, gravity must supply exactly the pull needed to keep turning the path:

v_circular = √(GM / r)

Just above Earth’s surface this is about 7.9 km/s. Faster than a rifle bullet: roughly 28,000 km/h.

Master

In practice we almost never use G and M separately. Their product μ = GM, the gravitational parameter, is measured directly and far more precisely from the motion of moons and spacecraft. For Earth, μ = 398,600.4355 km³ s⁻², known to a few parts per billion, while G itself is known only to about 22 parts per million (CODATA 2018). The mass of Earth quoted in tables is really μ divided by G, and it inherits G’s uncertainty.

The cannon tool solves the motion exactly for a two-body problem. A horizontal launch from radius r₀ with speed v gives angular momentum h = r₀v and a conic orbit:

r(ν) = p / (1 + e cos ν),   p = h² / μ,   e = |p / r₀ − 1|

where ν is the angle from periapsis. If v is below the circular speed, the launch point is the apoapsis and the path dips inward; if it also dips below the surface, the ball hits the ground. At √(μ/r₀) the orbit is a circle (e = 0). At √(2μ/r₀) it becomes a parabola (e = 1) and the ball escapes.

Newton’s law also explains why the tool’s mountain is drawn so absurdly tall: in reality the air would slow any cannonball long before orbital speed, which is why rockets climb above most of the atmosphere before accelerating sideways.

Δοκιμάστε το τώρα

On Earth, find the slowest launch speed that still gives an orbit. Then switch to the Moon and to Mars. Why is the answer so different? Check it against the numbers in the readout.

Γρήγορο κουίζ

3 Επιλέξτε μια απάντηση για να δείτε αν έχετε δίκιο.

  1. If you double the distance between two objects, the gravitational force between them becomes:

    1. A Twice as strong
    2. B Half as strong
    3. C A quarter as strong
    4. D Unchanged
    Δείξε την απάντηση

    C. A quarter as strong Gravity follows an inverse-square law: 1/2² = 1/4.

  2. Astronauts on the International Space Station float because:

    1. A There is no gravity in space
    2. B They are falling around Earth together with the station
    3. C The station is outside Earth's atmosphere
    4. D The Moon pulls them up
    Δείξε την απάντηση

    B. They are falling around Earth together with the station At the station's height gravity is still about 90% of its surface value.

  3. What is the circular orbit speed just above Earth's surface (ignoring air)?

    1. A About 0.8 km/s
    2. B About 7.9 km/s
    3. C About 11.2 km/s
    4. D About 30 km/s
    Δείξε την απάντηση

    B. About 7.9 km/s v = √(GM/r) = √(398,600 / 6,371) ≈ 7.9 km/s. 11.2 km/s is the escape speed.

Γραμμή τερματισμού

  • Παίχτηκε με το διαδραστικό
  • Διαβάστε το μάθημα
  • Πήρε την πρόκληση
  • Πήρα το κουίζ

Σημειώστε το μάθημα ολοκληρώθηκε για να το αποθηκεύσετε στην πρόοδό σας σε αυτή τη συσκευή.

Λέξεις σε αυτό το μάθημα

Πηγές

Αυτό το μάθημα έχει άδεια CC BY-SA 4.0.

Τα εργαλεία και τα μαθήματα χρησιμοποιούν απλοποιημένα μοντέλα μόνο για εκμάθηση, δεν πρέπει να χρησιμοποιούνται για πλοήγηση, σχεδιασμό αποστολών ή οποιαδήποτε επιχειρησιακή απόφαση. Τα πιστοποιητικά είναι δωρεάν και μη διαπιστευμένα. Διαβάστε την αποποίηση ευθυνών για το εκπαιδευτικό περιεχόμενο