Zwaartekracht | een van de fundamentele krachten van het universum

Alledaagse zwaartekracht

Gewicht versus massa

In het dagelijks spraakgebruik zeggen we dat dingen vallen omdat de zwaartekracht van de aarde eraan trekt. We praten alsof ons gewicht een "gegeven" is. In werkelijkheid verandert het gewicht als de aantrekkingskracht van de zwaartekracht verandert. De Maan is veel kleiner en de aantrekkingskracht van de zwaartekracht op de Maan is ongeveer 1/6 van die op de Aarde. Elk voorwerp op de Maan weegt dus 1/6e van zijn gewicht op Aarde. Wat niet verandert is de hoeveelheid materie in een voorwerp. Dat heet behoud van massa. Op aarde zijn massa en gewicht voor de meeste doeleinden hetzelfde, hoewel een gevoelige gravimeter het verschil kan vaststellen. Op een andere wereld zoals de maan kan het verschil heel anders zijn.

Hieruit leren we twee dingen.

1. Het gewicht van een voorwerp is variabel; zijn massa is constant.
2. De aantrekkingskracht van de zwaartekracht varieert met de massa van een voorwerp. De aarde trekt sterker dan de maan. Een mens oefent ook een zwaartekracht uit, maar die is zo klein dat hij voor alle praktische doeleinden kan worden genegeerd.

De aarde heeft massa. Elk materiedeeltje heeft massa. De Aarde trekt dus aan elk voorwerp en elke persoon, en zij trekken aan de Aarde. Deze trekkracht heet "zwaartekracht" en geeft gewicht.

Zwaartekracht vs. gravitatie

In het dagelijks gebruik betekenen deze woorden bijna hetzelfde. Soms gebruiken wetenschappers "zwaartekracht" voor de kracht die voorwerpen naar elkaar toe trekt, en "gravitatie" voor de theorie over de aantrekkingskracht.

 

Zwaartekrachttheorie

Galileo

Volgens een van zijn leerlingen deed Galileo een beroemd experiment over zwaartekracht waarbij hij ballen liet vallen vanaf de Toren van Pisa. Later rolde hij ballen van hellingen naar beneden. Met deze experimenten toonde Galileo aan dat de zwaartekracht alle voorwerpen in dezelfde mate versnelt, ongeacht hun gewicht.

Kepler

Johannes Kepler bestudeerde de beweging van planeten. In 1609 en 1616 publiceerde hij zijn drie wetten die de vorm van hun banen en hun snelheid langs die banen regelen, maar hij ontdekte niet waarom ze op die manier bewogen.

Newton

In 1687 schreef de Engelse wiskundige Isaac Newton de Principia. In dit boek schreef hij over de omgekeerde kwadratenwet van de zwaartekracht. Newton volgde een idee dat al lang door anderen was besproken en stelde dat hoe dichter twee voorwerpen bij elkaar staan, hoe meer de zwaartekracht op hen inwerkt.

Volgens de universele gravitatiewet van Newton is de zwaartekracht een kracht tussen twee voorwerpen met massa. Drie getallen beïnvloeden de kracht ervan: de massa van elk voorwerp en de afstand ertussen. Deze twee voorwerpen zullen allebei met dezelfde kracht aan elkaar trekken. Een kracht heeft echter een groter effect op voorwerpen met minder massa. De kracht tussen de zon en de aarde zorgt ervoor dat de aarde om de zon draait, maar beweegt de zon maar een klein beetje.

De wetten van Newton werden later gebruikt om het bestaan van de planeet Neptunus te voorspellen op basis van veranderingen in de baan van Uranus, en opnieuw om het bestaan te voorspellen van een andere planeet die dichter bij de zon stond dan Mercurius. Toen dit was gebeurd, kwam men erachter dat zijn theorie niet helemaal correct was. Deze fouten in zijn theorie werden gecorrigeerd door de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein. De theorie van Newton wordt nog steeds voor veel dingen gebruikt, omdat deze eenvoudiger is en nauwkeurig genoeg voor veel toepassingen.

Dynamisch evenwicht

Waarom valt de aarde niet in de zon? Het antwoord is eenvoudig maar zeer belangrijk. Het is omdat de Aarde die rond de Zon beweegt in een dynamisch evenwicht verkeert. De snelheid van de beweging van de Aarde creëert een middelpuntvliedende kracht die de gravitatiekracht tussen de Zon en de Aarde in evenwicht houdt. Waarom blijft de aarde draaien? Omdat er geen kracht is om haar te stoppen.

De eerste wet van Newton: "Als een lichaam in rust is, blijft het in rust, of als het in beweging is, beweegt het met dezelfde snelheid totdat er een externe kracht op wordt uitgeoefend".

Er is een soort analogie tussen centrifugale kracht en gravitatiekracht, die leidde tot het "equivalentieprincipe" van de algemene relativiteit.

Gewichtloosheid

Bij een vrije val compenseert de beweging van een voorwerp de aantrekkingskracht van de zwaartekracht. Dit geldt ook voor een baan om de aarde.

 
Newton's wet van universele zwaartekracht.  

Algemene relativiteit

De speciale relativiteitstheorie beschrijft systemen waarbij de zwaartekracht geen rol speelt; in de algemene relativiteitstheorie daarentegen staat de zwaartekracht centraal.

In de algemene relativiteit is er geen zwaartekracht die voorwerpen van hun natuurlijke, rechte pad afleidt. In plaats daarvan wordt zwaartekracht gezien als veranderingen in de eigenschappen van ruimte en tijd. Dit verandert op zijn beurt de rechtste paden die objecten van nature zullen volgen. De kromming wordt op zijn beurt veroorzaakt door het energie-momentum van materie. Ruimtetijd vertelt materie hoe te bewegen; materie vertelt ruimtetijd hoe te krommen.

Voor zwakke gravitatievelden en lage snelheden ten opzichte van de lichtsnelheid komen de voorspellingen van de theorie overeen met die van Newtons wet van de universele gravitatie. De vergelijkingen van Newton worden gebruikt om reizen in ons zonnestelsel te plannen.

Algemene relativiteit heeft een aantal fysische gevolgen.

Tijddilatatie en frequentieverschuiving

De zwaartekracht beïnvloedt het verstrijken van de tijd. Licht dat in een zwaartekrachtput naar beneden wordt gestuurd, wordt blauwverschoven, terwijl licht dat in de tegenovergestelde richting wordt gestuurd (d.w.z. uit de zwaartekrachtput klimt) roodverschuift; samen staan deze twee effecten bekend als de gravitationele frequentieverschuiving.

Meer in het algemeen verlopen processen dicht bij een massief lichaam langzamer dan processen die verder weg plaatsvinden; dit effect staat bekend als gravitationele tijdsdilatatie.

Lichtafbuiging en gravitationele tijdsvertraging

De algemene relativiteit voorspelt dat het pad van licht in een zwaartekrachtsveld wordt afgebogen; licht dat een massief lichaam passeert, wordt naar dat lichaam afgebogen. Dit effect is bevestigd door te zien hoe het licht van sterren of verre quasars wordt afgebogen wanneer het de zon passeert.

Nauw verwant met lichtafbuiging is de gravitationele tijdsvertraging (of Shapirovertraging), het verschijnsel dat lichtsignalen er langer over doen om door een gravitatieveld te bewegen dan zonder dat veld. Er zijn talrijke succesvolle tests van deze voorspelling geweest.

Een parameter genaamd γ geeft de invloed van de zwaartekracht op de geometrie van de ruimte weer.

Gravitatiegolven

Gravitatiegolven zijn rimpelingen in de kromming van ruimtetijd. Ze bewegen als een golf, die vanaf de bron naar buiten reist. Einstein voorspelde ze in 1915 op basis van zijn algemene relativiteitstheorie. In theorie transporteren gravitatiegolven energie als gravitatiestraling. Bronnen van waarneembare zwaartekrachtgolven zijn bijvoorbeeld binaire stersystemen bestaande uit witte dwergen, neutronensterren of zwarte gaten. In de algemene relativiteit kunnen gravitatiegolven niet sneller reizen dan de lichtsnelheid.

De Nobelprijs voor natuurkunde van 1993 werd toegekend voor metingen aan het dubbelstersysteem Hulse-Taylor. Deze metingen suggereerden dat zwaartekrachtgolven meer zijn dan wiskundige eigenaardigheden.

Op 11 februari 2016 maakten de LIGO Scientific Collaboration en Virgo Collaboration teams bekend dat zij de eerste waarneming van zwaartekrachtgolven, afkomstig van een paar samensmeltende zwarte gaten, hadden gedaan met behulp van de Advanced LIGO detectoren. Op 15 juni 2016 werd een tweede detectie van zwaartekrachtgolven van samensmeltende zwarte gaten aangekondigd. Naast LIGO zijn er nog vele andere observatoria (detectoren) voor zwaartekrachtgolven in aanbouw.

 
Schematische voorstelling van de gravitationele roodverschuiving van een lichtgolf die ontsnapt aan het oppervlak van een massief lichaam  


Afbuiging van licht (uitgezonden vanaf de plaats in blauw) nabij een compact lichaam (weergegeven in grijs)  

Gerelateerde pagina's

• Ontsnappingssnelheid
• Algemene relativiteit
• De bewegingswetten van Newton