Gravitaciona sila i sila Zemljine teže

🎯 Cilj lekcije
  • Objasniti gravitacionu silu kao privlačnu silu između svih tijela s masom.
  • Primijeniti Newtonov zakon gravitacije F = G·m₁m₂/r².
  • Objasniti kako sila zavisi od masa i od rastojanja, uključujući kvadratnu zavisnost.
  • Izračunati silu Zemljine teže pomoću Fg = m·g uz g = 9,81 N/kg.

1. Privlačenje među tijelima

Jabuka padne sa grane, Mjesec kruži oko Zemlje, a plima i oseka prate Mjesec. Iza svega toga je ista sila: gravitaciona sila. Njena bitna osobina je da je uvijek privlačna — nikada ne odbija. Djeluje između svih tijela koja imaju masu: između tebe i stolice, između dvije knjige, između zvijezda.

Za dvije materijalne tačke iznos sile zavisi od njihovih masa i međusobnog rastojanja. Računski zakon ispod je proširenje; prvo razumij pravilo: veće mase jače se privlače, a veće rastojanje slabi privlačenje.

F = G·m₁·m₂r²

Konstanta G je gravitaciona konstanta. Ona je ista za sva tijela u svemiru i vrlo je mala:

G = 6,67·10⁻¹¹ N·m²/kg²

Ovaj jednostavni izraz koristimo za materijalne tačke i za kuglasta tijela sa sferno simetričnim rasporedom mase koja se ne preklapaju; dobar je približan model i kada je rastojanje mnogo veće od dimenzija tijela. Daljina r tada je rastojanje između središta, ne između površina. Za tijelo izvan Zemlje r mjerimo od njenog centra. Izraz ne primjenjujemo s r = 0 niti na preklopljena tijela.

💡 Zapamti Gravitaciona sila je uvijek privlačna i djeluje na oba tijela. Po trećem Newtonovom zakonu ona je za oba tijela jednaka po iznosu, samo suprotnog smjera.

2. Kako sila zavisi od masa i od daljine

Iz formule se vide dva pravila. Prvo: sila je srazmjerna proizvodu masa. Udvostručiš li jednu masu, sila se udvostruči. Udvostručiš li obje, sila postane četiri puta veća.

Drugo: sila je obrnuto srazmjerna kvadratu daljine. To je najvažnija i najčešće pogrešno shvaćena osobina. Udvostručiš li daljinu, sila padne na četvrtinu, a ne na polovinu. Utrostručiš li je, sila padne na devetinu.

Daljina rr²F za m₁ = m₂ = 10 kgU odnosu na r = 1 m
1 m1 m²6,67·10⁻⁹ N1
2 m4 m²1,67·10⁻⁹ N1/4
3 m9 m²7,41·10⁻¹⁰ N1/9
4 m16 m²4,17·10⁻¹⁰ N1/16

Vrijednosti u tablici su izračunate s G = 6,67·10⁻¹¹ N·m²/kg². Vidi se i zašto gravitaciju između svakodnevnih predmeta ne primjećujemo: sile reda 10⁻⁹ N su više miliona puta manje od težine jednog lista papira (oko 0,05 N).

3. Sila Zemljine teže i veličina g

Zemlja privlači svako tijelo na svojoj površini. Ta sila se zove sila Zemljine teže i označava se Fg. Uvrsti li se masa Zemlje i njen poluprečnik u zakon gravitacije, dobija se jednostavan izraz:

Fg = m·g    g = 9,81 N/kg

Veličina g se zove ubrzanje slobodnog pada i iznosi približno 9,81 m/s². Jedinice N/kg i m/s² su jednake, pa se oba zapisa koriste. Za svakodnevni račun često se uzima g ≈ 10 m/s², ali tada to mora biti izričito naznačeno. Na portalu koristimo g = 9,81 N/kg.

TijelogSila teže za masu 1 kg
Zemlja (površina)9,81 N/kg9,81 N
Mjesec1,62 N/kg1,62 N
Mars3,71 N/kg3,71 N

Ista masa od 1 kg ima na Mjesecu šest puta manju silu teže. Masa se pritom ne mijenja — mijenja se samo sila kojom tijelo privlači nebesko tijelo.

Plima i oseka

Mjesec privlači vodu na Zemlji. Na strani okrenutoj ka Mjesecu voda je privučena jače nego Zemlja, pa se podiže. Na suprotnoj strani Mjesec privlači Zemlju jače nego vodu, pa voda ostaje dalje od Zemlje i tu se javlja druga plima. Zato se plima javlja dvaput u otprilike 24 sata i 50 minuta.

Sateliti i orbite

Satelit ima brzinu duž orbite, a gravitacija mu stalno skreće kretanje prema Zemlji. Zato ne pada pravo na tlo: slobodno pada i stalno ga promašuje. Geostacionarni sateliti kruže iznad ekvatora na visini oko 35 800 km i obiđu Zemlju za 24 h, pa stoje iznad iste tačke.

Provjeri tvrdnju o satelitu — korak po korak

Tvrdnja: „Astronaut lebdi jer na visini nema gravitacije“Razdvoji opažanje lebdenja od ponuđenog uzroka.
Model: gravitacija opada s rastojanjem od centra ZemljeMala visina u poređenju s poluprečnikom Zemlje ne uklanja gravitaciju.
Satelit i astronaut zajedno slobodno padajuNema oslonca koji bi stvorio uobičajenu težinu; sila teže i dalje djeluje.
Provjera izvoraTraži podatke o visini, orbiti i slobodnom padu u obrazovnom ili institucionalnom izvoru. Izraz „bez težine“ nije isto što i „bez gravitacije“.

4. Isprobaj: dvije mase i daljina

Mijenjaj mase i daljinu. Vidi kako se mijenja iznos sile i dužina strelica. Zatim udvostruči daljinu i uporedi brojeve — sila padne na četvrtinu. Ispod toga je panel za predviđanje i mjerenje na r₀, 2r₀ i 3r₀. Daljina ne može biti nula, najmanje je 1 m.

m₁ m₂ r = 2 m strelica je šematska: stvarna sila se mijenja milionima puta

F = 6,67·10⁻¹¹ · 10 · 10 / 2² ≈ 1,67·10⁻⁹ N

Pri dvostrukoj daljini (4 m) sila bi bila 4,17·10⁻¹⁰ N — četiri puta manja.

Poređenje: r₀, 2r₀ i 3r₀ — opada li sila linearno?

Referenca je trenutni par masa i daljina r₀ iz klizača (r je rastojanje središta, ne površina tijela). Prvo predvidi, pa izmjeri. Dok traje poređenje, mase su zaključane: ako pomjeriš klizač mase ili daljine, počinje nova referentna serija. Kuglice su šematske, a dužine traka su u istom razmjeru.

Daljina 2r₀ (dvostruko dalje): kolika će biti sila?

Daljina 3r₀ (tri puta dalje): kolika će biti sila?

daljina središta · traka = F / F₀ (isti razmjer)

Legenda: prazan romb = tvoje predviđanje, pun krug = izmjerena vrijednost, isprekidana linija = model F ∝ 1/r² (pojavi se kad izmjeriš obje tačke).

Tabela odnosa (isti m₁ i m₂)
r / r₀rFF / F₀

5. Korak po korak: izračunaj gravitacionu silu

Zadatak: „Dva tijela masa 20 kg i 50 kg nalaze se na daljini 2 m (središte od središta). Kolika je gravitaciona sila između njih?“

1.Ispiši podatke m₁ = 20 kg, m₂ = 50 kg, r = 2 m, G = 6,67·10⁻¹¹ N·m²/kg².
2.Pretvori u SI Mase su u kilogramima, daljina u metrima — pretvaranje nije potrebno.
3.Proizvod masa m₁·m₂ = 20·50 = 1 000 kg²
4.Kvadrat daljine r² = 2² = 4 m². Kvadrat je ključan: udvostručenje daljine daje četiri puta manju silu.
5.Uvrsti i izračunaj F = 6,67·10⁻¹¹ · 1 000 / 4 = 1,67·10⁻⁸ N
6.Provjeri smisao Sila reda 10⁻⁸ N je neprimjetno mala, kako i očekujemo za tijela od nekoliko desetina kilograma.

Satelit korak po korak

r=6400 km + 400 km = 6800 km Poluprečnik orbite mjeri se od centra Zemlje, pa dodajemo poluprečnik Zemlje.
O=2π · r = 2π · 6800 km ≈ 42 700 km Put jednog obilaska je obim kruga orbite.
T=92 min = 5520 s Period obilaska je oko 92 min. Pretvori minute u sekunde.
v=O / T = 4,27·10⁷ m / 5520 s ≈ 7,7·10³ m/s Brzina je put podijeljen vremenom. Dobijamo oko 7,7 km/s.
g=9,81 · (6400 / 6800)² ≈ 8,7 m/s² Gravitaciono ubrzanje na visini 400 km je oko 89 % vrijednosti na površini.
Provjera⇒7,7 km/s je brzina, a ne put; put je oko 4,3·10⁴ km Jedinice i red veličine su smisleni.

6. Riješeni primjeri

Dva tipa zadatka: gravitaciona sila između dva tijela i sila Zemljine teže. U svakom tipu su tri primjera, od lakšeg ka težem.

Tip 1: gravitaciona sila

Primjer 1: dvije kugle od 10 kg

Dvije kugle, svaka mase 10 kg, nalaze se na daljini 1 m. Kolika je gravitaciona sila između njih?

m₁ = m₂=10 kg Obje mase su jednake i date u kilogramima.
r=1 m Daljina je mjerena između središta kugli.
m₁·m₂=100 kg² 10·10 = 100.
F=6,67·10⁻¹¹·100 / 1 r² = 1, pa dijeljenje ne mijenja vrijednost.
F≈6,67·10⁻⁹ N To je oko šest milijardtih dijelova njutna — sila se ne može osjetiti.
Provjera≈10⁻⁹ N Red veličine odgovara malim masama, pa je rezultat smislen.

Primjer 2: Zemlja i učenik

Učenik mase 60 kg stoji na površini Zemlje. Masa Zemlje je 6·10²⁴ kg, a poluprečnik 6,4·10⁶ m. Kolika je gravitaciona sila između učenika i Zemlje?

m₁=60 kg Masa učenika.
m₂=6·10²⁴ kg Masa Zemlje, zapisana kao umnožak s potencijom deset.
r=6,4·10⁶ m Daljina do središta Zemlje je njen poluprečnik.
m₁·m₂=3,6·10²⁶ kg² 60·6·10²⁴ = 360·10²⁴ = 3,6·10²⁶.
r²=4,096·10¹³ m² (6,4·10⁶)² = 40,96·10¹² = 4,096·10¹³.
F≈6,67·10⁻¹¹·3,6·10²⁶ / 4,096·10¹³ ≈ 586 N Dobija se oko 586 N, gotovo isto kao Fg = 60·9,81 = 588,6 N. Razlika dolazi od zaokruženih podataka.

Primjer 3: dva broda na moru

Za ovu grubu procjenu zamijeni dva broda tačkama mase 5·10⁷ kg, udaljenim 100 m. Zanemari raspored mase u brodovima. Kolika je sila privlačenja među njima? Zašto je ne primjećujemo?

m₁ = m₂=5·10⁷ kg To je oko 50 000 t po brodu.
r=100 m = 10² m Daljina je zgodno zapisana potencijom deset.
m₁·m₂=2,5·10¹⁵ kg² (5·10⁷)² = 25·10¹⁴ = 2,5·10¹⁵.
r²=10⁴ m² (10²)² = 10⁴.
F=6,67·10⁻¹¹·2,5·10¹⁵ / 10⁴ ≈ 16,7 N Sila je oko 17 N, što je težina tijela mase oko 1,7 kg (16,7 : 9,81 ≈ 1,7 kg). Tako malo privlačenje nadjačaju more i vjetar.
Provjera≈10 N red veličine Rezultat je grub tačkasti model. Za velike brodove na malom međusobnom razmaku trebalo bi uzeti u obzir njihov oblik i raspored mase.

Tip 2: sila Zemljine teže

Primjer 1: torba od 5 kg

Kolika sila teže djeluje na torbu mase 5 kg? Uzmi g = 9,81 N/kg.

m=5 kg Masa je data, pretvaranje nije potrebno.
g=9,81 N/kg Portalna vrijednost za površinu Zemlje.
Fg=m·g = 5·9,81 Množimo masu i veličinu g.
Fg=49,05 N ≈ 49,1 N Zaokružujemo tek na kraju, na jednu decimalu.
Provjera≈sila teže na masu 5 kg Svaki kilogram daje oko 9,81 N, pa je 5 kg otprilike 49 N — razumno.

Primjer 2: automobil u kilonjutnima

Automobil ima masu 1 200 kg. Kolika je sila teže na automobil? Rezultat izrazi u kilonjutnima.

m=1 200 kg Masa automobila.
Fg=1 200·9,81 Uvrštavamo u Fg = m·g.
Fg=11 772 N To je 11 772 N, velika sila kao i kod svakog vozila.
1 kN=1 000 N Kilonjutn je hiljadu njutna.
Fg≈11,8 kN Dijeljenjem s 1 000 dobijamo 11,772, zaokruženo 11,8 kN.
Provjera≈12 kN Red veličine odgovara težini automobila, pa je rezultat smislen.

Primjer 3: Zemlja i Mjesec

Kolika je sila teže na astronauta mase 60 kg na Zemlji, a kolika na Mjesecu? Na Mjesecu je ubrzanje slobodnog pada 1,62 m/s². Koliko je puta sila manja?

Na Zemlji=60·9,81 = 588,6 N Ista masa, ali veće g daje veću silu teže.
Na Mjesecu=60·1,62 = 97,2 N Masa ostaje 60 kg; mijenja se samo sila.
Odnos=588,6 / 97,2 ≈ 6,06 Sila je na Mjesecu oko šest puta manja.
Zaključak⇒ista masa, manja sila Masa od 60 kg se ne mijenja, pa astronaut i na Mjesecu ima istu masu i istu inerciju.
Provjera≈1/6 zemaljske sile Poznato je da je na Mjesecu težina oko šest puta manja — račun se slaže.
⚠️ Česte greške
  • „Ako se daljina udvostruči, sila se prepolovi.“ Ne. Sila je obrnuto srazmjerna kvadratu daljine, pa padne na četvrtinu.
  • Mjerenje daljine od površine tijela. U zakon gravitacije ide daljina između središta, pa za Zemlju uzimamo njen poluprečnik.
  • „Zemlja jače privlači jabuku nego jabuka Zemlju.“ Sile su jednake po iznosu; razlika je u ubrzanju, jer je masa Zemlje ogromna.
  • Zamjena mase i sile teže. Masa je 60 kg uvijek i svuda, a sila teže je 588,6 N samo na Zemlji.

✅ Kviz — provjeri sebe (4 pitanja)

1. Daljina između dva tijela se udvostruči, a mase ostaju iste. Šta se dešava sa gravitacionom silom?

2. Obje mase se udvostruče, a daljina ostane ista. Šta se dešava sa silom?

3. Kolika sila teže djeluje na tijelo mase 3 kg na Zemlji? Uzmi g = 9,81 N/kg.

4. Jabuka pada na Zemlju, a ne Zemlja na jabuku. Zašto?

7. Primijeni i objasni

Samostalan zadatak: Dvije kugle imaju mase 4 kg i 9 kg, a njihova središta su udaljena 3 m. (a) Izračunaj gravitacionu silu. (b) Kolika bi bila sila da se daljina smanji na 1 m? (c) Objasni zašto sila ne bi bila beskonačna ni kada bi daljina bila vrlo mala.
Provjeri rješenje i obrazloženje

(a) F = G·m₁m₂/r² = 6,67·10⁻¹¹·36/9 = 6,67·10⁻¹¹·4 ≈ 2,67·10⁻¹⁰ N. (b) Na 1 m: F = 6,67·10⁻¹¹·36/1 ≈ 2,4·10⁻⁹ N, dakle devet puta više, jer je daljina tri puta manja, a 3² = 9. (c) Tijela imaju konačne dimenzije, pa se središta ne mogu poklopiti. Formula vrijedi za rastojanje središta, a za r = 0 gubi smisao — zato u simulaciji daljina ide najmanje od 1 m.

Provjeri u simulaciji: postavi mase 4 kg i 9 kg, daljinu 3 m, pa 1 m. Brojevi se moraju slagati s računom.

Samostalan zadatak: Međunarodna svemirska stanica leti na visini oko 400 km i obiđe Zemlju za oko 90 min. Poluprečnik Zemlje uzmi 6400 km. (a) Koliki je put jednog obilaska? (b) Kolika je brzina stanice? (c) Gravitaciono ubrzanje na toj visini je oko 8,7 m/s². Zašto astronauti u stanici lebde kad je gravitacija skoro 90 % od vrijednosti na površini?
Provjeri rješenje i obrazloženje

(a) r = 6800 km; O = 2π · 6800 ≈ 42 700 km ≈ 4,3·10⁴ km. (b) v = O / T = 42 700 000 / 5520 ≈ 7,7·10³ m/s = 7,7 km/s. (c) Astronauti i stanica padaju zajedno, s istim ubrzanjem, pa nema pritiska na njihov oslonac. To je bestežinsko stanje, a ne odsustvo gravitacije.

Samostalno istraži i obrazloži

Izaberi dvije obrazovne ili institucionalne informacije o satelitima ili plimi. Zapiši autora/ustanovu, naslov i datum. Učenik kaže: „Mjesec privlači samo vodu, a satelit se kreće bez sile.“ Skiciraj sistem i popravi obje tvrdnje na osnovu gravitacionog modela.

Provjeri obrazloženje

Mjesec privlači i Zemlju i vodu; različito privlačenje različitih dijelova doprinosi plimnim efektima. Na satelit djeluje gravitaciona sila koja mijenja smjer njegove brzine. Na skici sila pokazuje prema centru Zemlje, a trenutna brzina je duž putanje. Provjera izvora traži razliku između pojednostavljene skice i stvarne orbite ili obale, gdje na plimu utiču i drugi uslovi. Sam naslov bez objašnjenja nije dovoljan dokaz.

Veza s programom

Ključni sadržaji koje ovdje učiš: gravitaciona sila, Newtonov zakon gravitacije, gravitaciona konstanta, sila Zemljine teže i veličina g.

Oblast B — Mehanika, cjelina 8.2 Dinamika. Oznake ishoda u izvoru: B.8.1, B.8.2, B.8.3. Predmetni kurikulum KS, 8. razred, oblast B, štampana str. 15 (PDF stranica 16). Raspored oblasti na portalu je urednički. Objašnjenja, primjeri i aktivnosti su autorski.