Energi i gravitasjonsfelt er et av de temaene i Fysikk 2 som binder sammen mekanikk, feltmodeller, matematikk og romfart. Når du arbeider med satellitter, planeter, sonder eller et legeme som beveger seg langt fra jordoverflaten, holder det ikke alltid å bruke den enkle formelen E_p = mgh. Den formelen fungerer godt nær jordoverflaten, der tyngdefeltet omtrent er konstant. I Fysikk 2 må du ofte bruke en mer generell modell der gravitasjonskraften avtar med avstanden fra massesenteret. Da blir gravitasjonell potensiell energi knyttet til avstanden r fra sentrum av planeten eller stjernen.
Kjernen er at gravitasjonsfeltet kan gjøre arbeid på et legeme. Dersom et legeme faller innover i feltet, øker farten fordi potensiell energi går over til kinetisk energi. Dersom legemet skal flyttes utover fra en planet, må det tilføres energi. Derfor er temaet viktig når du skal forstå omløpsbaner, unnslipningsfart, satellittbevegelse og energibevaring i verdensrommet. På ifingo kan du kombinere denne artikkelen med oppgaver i /ressursbank/artikler/fysikk-2 og repetisjon av Newtons gravitasjonslov i /ressursbank/artikler/gravitajon-og-felt.
Eksamenstips
På eksamen bør du først identifisere hvilken situasjon oppgaven beskriver. Dersom teksten handler om en satellitt, en planet, et romskip eller en stor høyde over jordoverflaten, er det ofte et signal om at du må bruke gravitasjonsfeltmodellen. Se etter om oppgaven oppgir masse, radius, avstand, jordmasse eller gravitasjonskonstanten. Det er også vanlig at oppgaven ber deg forklare hva negativ energi betyr.
En sterk eksamensbesvarelse gjør tre ting: Den viser riktig formelbruk, den regner ryddig med enheter, og den forklarer resultatet fysisk. Skriv derfor ikke bare «ΔE_p = ...». Skriv også en setning som «Siden satellitten flyttes lenger fra jorda, øker den potensielle energien, altså må det tilføres energi». Slike setninger viser sensor at du forstår retningen på energioverføringen.
Til slutt bør du kontrollere svaret. Er energien i joule? Er r oppgitt fra sentrum eller som høyde over bakken? Har du brukt meter, ikke kilometer? Gir fortegnet mening? Disse kontrollspørsmålene kan hindre mange feil.
Fra mgh til gravitasjonsfelt
I Fysikk 1 lærte du ofte at den potensielle energien i tyngdefeltet er E_p = mgh. Det betyr at energien øker når høyden h øker. Denne modellen bygger på at tyngdeakselerasjonen g er tilnærmet konstant. Nær jordoverflaten er det en god tilnærming, fordi høydeforskjellene er små sammenlignet med jordradiusen.
I Fysikk 2 jobber du med større avstander. Da må du bruke Newtons gravitasjonslov:
F = G mM / r^2