Trọng lực phụ thuộc vào gì?

Thế giới xung quanh ta vận hành theo những quy luật vật lý tinh tế. Một trong những lực cơ bản, dễ nhận thấy nhất chính là trọng lực – lực hút của Trái Đất khiến mọi vật rơi xuống mặt đất. Nhưng trọng lực phụ thuộc vào những yếu tố nào? Câu trả lời không đơn giản như ta vẫn tưởng.

Thường thì, ta học rằng trọng lực tỉ lệ thuận với khối lượng. Một vật có khối lượng lớn hơn sẽ chịu tác động của trọng lực lớn hơn, dẫn đến gia tốc rơi tự do lớn hơn. Tuy nhiên, điều này chỉ là một phần câu chuyện, một sự đơn giản hóa trong trường hợp vật thể có kích thước nhỏ so với Trái Đất.

Khi xét đến những vật thể có kích thước khổng lồ, như các hành tinh hay các thiên thể khác, câu chuyện trở nên phức tạp hơn. Lấy ví dụ một hành tinh hình cầu. Trọng lực của hành tinh này, tác động lên một vật thể đặt ở bên ngoài, không chỉ đơn giản là tổng trọng lực của tất cả các phần tử cấu tạo nên hành tinh đó. Thực tế, trọng lực phụ thuộc vào phân bố khối lượng bên trong bán kính của hành tinh.

Đó là lý do tại sao khẳng định “Trọng lực của một vật thể hình cầu chỉ phụ thuộc vào khối lượng nằm trong bán kính của nó” là vô cùng quan trọng. Những phần tử nằm ngoài bán kính này, do tính nghịch đảo bình phương của định luật hấp dẫn Newton, sẽ tạo ra những lực hút triệt tiêu lẫn nhau. Hãy tưởng tượng hai phần tử nằm ở hai phía đối xứng nhau so với tâm hành tinh và cùng khoảng cách đến điểm cần tính trọng lực. Lực hút của chúng lên điểm đó sẽ có cùng độ lớn nhưng hướng ngược nhau, do đó triệt tiêu nhau. Hiện tượng này lặp lại với tất cả các cặp phần tử nằm ngoài bán kính, dẫn đến kết quả rằng chỉ khối lượng nằm trong bán kính mới đóng góp đáng kể vào trọng lực tổng thể.

Do đó, về mặt tác động trọng lực lên các vật thể bên ngoài, chúng ta có thể coi toàn bộ khối lượng của một hành tinh hình cầu tập trung tại tâm của nó. Đây là một sự đơn giản hóa hữu ích trong nhiều phép tính vật lý, giúp chúng ta dễ dàng hơn trong việc tính toán quỹ đạo của các vệ tinh hay các hiện tượng thiên văn khác. Tuy nhiên, điều quan trọng là phải nhớ rằng đây chỉ là một mô hình xấp xỉ, dựa trên sự đối xứng hình học và tính chất đặc biệt của lực hấp dẫn nghịch đảo bình phương. Sự phân bố khối lượng không đồng đều bên trong một hành tinh sẽ gây ra những sai lệch nhỏ so với mô hình này, nhưng trong đa số trường hợp, sự đơn giản hóa này mang lại độ chính xác chấp nhận được.