background image

Pole grawitacyjne 

  
  
  

 

2

B

A

Mm

F G

r

F

F

gdzie: 
 

M – ciało o masie M, źródło pola 

 

m – ciało próbne o masie m, nie deformuje pola wytworzonego przez źródło 

 

W  otoczeniu  każdego  ciała  przestrzeń  posiada  tę  właściwość,  że  w  każdym  jej  punkcie  na  ciało 
próbne działa siła grawitacyjna. Mówimy, że każde ciało wytwarza 

pole grawitacyjne. 

  
W  celu  scharakteryzowania  pola  grawitacyjnego  wprowadzamy  wielkość,  która  nie  zależy  od  ciała 
próbnego, tzw. 

natężenie pola grawitacyjnego

  
 

   

def

F

m

- definicja wielkości fizycznej 

background image

Wartość liczbowa 

    jest  równa  wartości  siły  działającej  na  punkt  materialny  o  masie  m  =  1  kg 

umieszczony w danym miejscu pola. 
Kierunek       jest taki, jak kierunek siły     . W przypadku masy punktowej M (lub ciała w kształcie 
kuli)      ma kierunek radialny. 
 

F

2

Mm

G

r

m

2

M

G

r

- prawo fizyczne 

Pole centralne 

linie sił pola 

background image

Zasada superpozycji pól 

  
  

 

M

1

, M

2

 – źródła pola 

  
Natężenie pola grawitacyjnego 
w punkcie P jest równe: 
  
 

1

2

  

 

 
 
 

Przy powierzchni Ziemi:

 

 

k =3,4 x 10

-5

  m/s

2   

 

s =5,6 x 10

-3

  m/s

 

  

 

 

 

 

z = 9,8 m/s

2

 

  
 

background image

Dla niewielkich wysokości ponad Ziemią oraz dla niewielkiego obszaru powierzchni 
Ziemi możemy przyjąć, że linie pola grawitacyjnego przebiegają równolegle. 

  

  

 
 
 
 
 
 
 

pole jednorodne 

  

 

const

W dużych odległościach od Ziemi (h duże względem R) 

 

W pobliżu Ziemi dla h << R 

 

2

(

)

M

G

R h

2

M

G

R

background image

Pojęcie pracy 

 

 

,

     

dl tak małe

elementarna

prace

że F const

dW

F

dl

 

   

def

AB

W

F dl

cos

W

Fs

background image

Jeśli:  

  
1.

 = 0 

W

F s

 

[ ] [

]

J

N m

3.     = 90

W

F s

  

- jednostka pracy (def.) 

2.      = 180

o

  

 

- praca ujemna 

W = 0 

4.  Jeśli na ciało działa wiele sił, to praca wykonana nad ciałem równa się sumie prac 
poszczególnych sił. 
 

1

2

1

2

...

...

n

n

dW

F dl

F dl

F dl

F F

F

F

dW

F dl

 

 

 

 

 

1

2

,  , ... , 

n

F F

F

background image

Praca siły grawitacyjnej 

  
  

 

B

A

r

A B

g

r

W

F dl

dl

dr

 

2

 

B

A

B

A

r

A B

r

r

A B

r

Mm

W

G

dr

r

Mm

W

G

r

 

    0

A B

B

A

Mm

Mm

W

G

G

r

r

background image

Obliczymy  pracę  siły  zewnętrznej                  przy  przeniesieniu  ciała  z  punktu  
A do B. 

z

g

F

F

 

dl

dr

 

180

dl

 elementarne przesunięcie 

background image

2

( 1)

 

(

) (

 ) 

     0 

B

A

B

A

B

A

r

A B

z

r

r

A B

r

r

A B

r

A B

B

A

A B

A

B

W

F dl

Mm

W

G

dr

r

Mm

W

G

r

Mm

Mm

W

G

G

r

r

Mm

Mm

W

G

G

r

r

 

 

 

 

Jeśli              to 
  
 

A

 

B

B

Mm

W

G

r



 

Praca siły zewnętrznej przy przenoszeniu ciała m z nieskończoności do dowolnego punktu 
pola centralnego P wynosi: 

P

P

Mm

W

G

r



 

energia potencjalna ciała m w punkcie B pola 

background image

Obliczmy wartość tej pracy przy przeniesieniu masy próbnej m = 1 kg. 

B

P

W

M

G

m

r



 

Tę  wielkość  fizyczną,  która  definiujemy  jako  stosunek  pracy  wykonanej  przez  siłę 
zewnętrzną                    przy przeniesieniu punktu materialnego o masie m = 1 kg z 
nieskończoności  do  danego  punktu  P  pola,  nazywamy  potencjałem  w  danym  punkcie 
pola (lub potencjałem danego punktu pola). 
 

z

g

F

F

 

   

def

P

P

W

m



P

P

M

G

r

 

gdzie: 
M – masa źródła pola 
r

P

 – odległość wybranego  

punktu P pola od źródła pola 

background image

W przypadku np. dwóch źródeł pola M

1

 i M

2

 potencjał w punkcie P pola  

1

2

  

1

1

1

2

1

2

1

1

1

1

M

G

r

M

G

r

M

M

G

G

r

r

 

 

 

 

 

 

 

B

A

W

m

W

m

  

background image

Praca sił zachowawczych

  

'

'

'

'

A

A

B

B

A

A

B

B

r

r

r

r



'

'

0
0

B B

A A

W
W


' '

' '

0

AB

B A

ABA B

W

W

W

 

background image

              

Pole grawitacyjne jest polem sił zachowawczych.  
 
Praca sił zachowawczych po krzywej zamkniętej jest równa zero. 

'

'

A

A

B

B


background image

Związek między siłą grawitacji i potencjałem grawitacyjnym 
  
 

Siły pola są 
prostopadłe do 
powierzchni 
ekwipotencjalnych i 
zwrócone są w 
stronę malejącego 
potencjału  
 

(

)

A

B

grad 

 

Gradient  potencjału  (grad 

)  jest  to  wektor,  którego  wartość  jest  równa  szybkości 

wzrostu potencjału w kierunku linii sił pola. 
Wartość wektora grad 

 w tym przypadku równa się  

 

d

dr

  

 

1

2

1

2

 

  

  

Wartość wektora grad 

  

w tym przypadku równa się  

d

dh

background image

Praca siły ciężkości w polu jednorodnym 

2

2

1

1

2

1

1

2

0

(

) (

)

     0

h

h

h

h

dl

dh

W

mg dh

mgh

mgh

mgh

W

mgh

mgh

 

 

 

 

 

Praca równa się różnicy dwóch wyrażeń, które są 
funkcjami wysokości (położenia). Wyrażenie mgh 
nazywamy  energią  potencjalną  ciężkości  układu: 
Ziemia-ciało. 

p

mgh

Potrafimy określić przyrost  
energii potencjalnej ciężkości 

p

W

 

background image

Praca wykonana przy konstrukcji układu  
mas punktowych o zadanej konfiguracji.
 

Obliczamy pracę siły zewnętrznej przy przeniesieniu masy m

2

 z  na odległość r

12

 do masy m

1

1

2

12

12

m m

W

G

r

 

Następnie obliczamy pracę przy przeniesieniu masy m

3

 z  na odległość r

13

 do masy m

1

1

3

13

13

m m

W

G

r

 

Nie uwzględniając obecności masy m

1

 obliczamy pracę przy przesunięciu masy  m

3

 z  

na odległość r

23

 do masy m

2

 

12

12

23

1

2

1

3

2

3

12

13

23

W W

W

W

m m

m m

m m

W

G

G

G

r

r

r

 

 

 

 

 

 

 

23

3

2

23

r

m

m

G

W

background image

Praca siły sprężystości 

Praca W równa jest różnicy dwóch wyrażeń, które są funkcjami  
wychylenia ciała z położenia równowagi. 
 

2

2

p

kx

      energia potencjalna sprężystości  

p

W

 

< 0 

background image

Praca siły F przy rozpędzaniu ciała o masie m od prędkości o wartości v

1

  

do prędkości o wartości v

2

. 

2

2

(

)

2

2

dW

F dl

dp

F

dt

dp

dW

dl

dt

dl

dW

dp

dt

dW

d mv v

dW

m dv v mv dv

v

dW

m d

mv

dW

d

 

 

 

 

   

 

 

2

2

2

cos0

(

)

2

( ) 2

2

v v v v

v

d v v

v dv dv v

v dv

d v

v dv

v

d

v dv

   

  

 

   

 

 

Obliczenia pomocnicze:

  

background image

Oznaczmy wyrażenie  
 

Wyrażenie to nazwijmy energią kinetyczną ciała o masie m poruszającego się z prędkością v
 

2

2

1

1

;    

;    

k

k

k

k

k

dW

d

W

d

W

W

 

2

2

2

1

2

2

mv

mv

   

Praca W jest równa różnicy dwóch wyrażeń, które są funkcjami prędkości. 

 

Energia jest funkcją stanu 

  

 

funkcją położenia 
 

 energia grawitacyjna 
 

funkcją wychylenia 
 

 energia potencjalna sprężystości 
 

funkcją prędkości 
 

 energia kinetyczna 
 

k

mv

2

2

background image

Zasada zachowania energii 

  
 
 
 
 

W przypadku układu odosobnionego                  suma energii potencjalnej i kinetycznej jest stała. 
 

0

z

p

k

const