десно|350п|мини|Гравитациона сила држи планете у орбити око Сунца. 250п|мини|десно|Два тела се привлаче узајамно силом која је пропорционална (у складу) умношку њихових маса, а обрнуто пропорционална квадрату њихове међусобне удаљености мини|десно|250п|Дводимензионална аналогија закривљености простор-времена мини|десно|250п|Коси торањ у Пизи где је Галилео Галилеј утврдио да је убрзање било којег падајућег тела на површини Земље константно и да је једнако за сва тела. мини|250п|десно|Њутнова замишљена топовска кугла: ако би топ на некој узвисини испалио куглу с брзином мањом од брзине кружења (-{vk = 7,9 km/s}-) она би имала путању -{A}- или -{B}- и пала би на Земљу; ако би кугла ишла брзином кружења она би имала кружну путању -{C}- и кретала би се сталном брзином; ако би кугла кренула брзином већом од брзине кружења она би путовала по елипси -{D}-; ако би кугла кренула брзином већом од брзине ослобађања (-{vo = 11,2 km/s}-) она би путовала по хиперболи -{E}- и напустила би Земљу. мини|250п|десно|Барицентар система Земље и Месеца налази се унутар Земљине површине на удаљености 4670 -{km}- од средишта. Та се тачка система, а не средиште Земље, креће по елиптичној стази око Сунца. мини|250п|десно|Према Општој теорији релативности, планета у свом обиласку око Сунца описује елипсу која се полако окреће у својој равни (на пример Меркурова перихел). мини|250п|десно|Експеримент високе тачности из опште теорија релативности са свемирском летелицом Касини—Хајгенс (уметничко виђење): радио сигнал послан с летелице према Земљи (зелени талас) касни због закривљености континуума простор–време (плаве црте) који настаје због Сунчеве масе.

Гравитација је физичка интеракција која изазива привлачење између тела, а што је последица њихових маса. То је једна од четири основне силе које делују у природи, представља силу привлачења између материјалних тела свих величина - од атома до планета у галаксијама, звезда у универзуму, итд. Гравитација је сила којом планета Земља привлачи и држи све материјалне ствари (жива бића и предмете) на својој површини и још се назива и Земљина тежа. Сва материјална тела поседују силу гравитације, али су те силе далеко мање него сила Земљине теже која се осећа и на 80.000 km удаљености од Земље. Гравитациона сила Сунца још је већа, јер Сунце помоћу ње држи на окупу све планете Сунчевог система које, услед ове силе, у свом кретању круже око Сунца. Генерално, цела структура универзума се базира на гравитацији. Резултанта силе Земљине гравитације и центрифугалне силе Земље је сила Земљине теже.

Јачина гравитационе силе између два тела зависи од масе тих тела и удаљености између њих, с тим што је управо сразмерна масама а обрнуто сразмерна квадрату растојања.

Током људске историје појавиле су се многе теорије које су покушале да објасне овај феномен. Данас прихваћена теорија гравитације је она коју је 1915. предложио Алберт Ајнштајн, а то је Општа теорија релативности. Универзални закон гравитације који је Исак Њутн дефинисао крајем 17. века (Његова студија Математички принципи природне филозофије (лат. -{Philosophiae Naturalis Principia Mathematica}-), објављена 1687, која описује универзалну гравитацију и три закона кретања, поставила је темеље класичне (Њутнове) механике и послужила као пример за настанак и развој других модерних физичких теорија), изузетно је једноставан и одлично апроксимира прорачун сила гравитације (изузев за брзине блиске брзини светлости), тако да се и данас користи. По Њутну се јединица силе назива „Њутн“ и обележава великим словом -{N}- што је еквивалентно са -{kg·m/s²}-.

У свету микроскопских величина, гравитација је најслабија од четири основне силе природе. У макроскопском свету делују једино гравитационе и електромагнетне силе. За разлику од електромагнетних сила, гравитационе силе су увек привлачне. Једна од популарних области проучавања у 21. веку је квантна теорија гравитације.

Историја Иако је у свакидашњем животу сила тежа стално присутна, а већ је и Птолемеј (око 150.) наслућивао да постоји нека сила која је узрок одржавању планета на њиховим стазама (планетарним путањама), требало је ипак да прође више од 15 векова да се те две појаве међусобно повежу и изгради појам гравитације. Први корак у решавању проблема падања тела учинио је у 17. веку Галилео Галилеј. Математичком анализом експеримената направљених у Пизи, Галилеј је утврдио да је убрзање земљине силе теже било којега падајућег тела на површини Земље константно и да је једнако за сва тела.

Аристотелов интуитивни приступ

Старогрчки мислиоци попут Аристотела сматрали су да „што је тело теже, то брже пада“ (усвајајући хипотезу о одсуству ваздуха). Тиме је створена конфузија око квалитета и квантитета: Квантитет : узмимо у руку једно тело које Земља привлачи. Раздробимо га (мисаоно) у хиљаде фрагмената. Сваки фрагмент има особину тежине, што је последица Земљиног привлачења. Тежина великог тела је сума тежине свих фрагмената. Дакле, тежина зависи од квантитета. Квалитет : пустимо тело да падне на земљу. Сваки фрагмент тела пада јер га Земља привлачи, он стиче брзину независно од осталих фрагмената. Брзина пада не зависи од броја фрагмената, јер су сви они идентични. Не зависи ни од укупне масе тела јер сви фрагменти падају истовремено. Брзина пада је дакле квалитет тела независан од његовог квантитета.

Отуда, иако су интуитивно блиски, појмови тежине и брзине пада се разликују.

Такође је чињеница да у одсуству ваздуха дрво и метал падају истом брзином, што значи да је брзина падања квалитативна особина независна од врсте материјала. Ова особина демонстрира принцип еквивалентности.

Када се испуштају предмети различитог облика, рецимо лопта од пене и од метала истих димензија, и када је путања пада довољно дуга, постаће приметно да услед отпора ваздуха долази до разлике у брзини пада. Галилеј је био први научник који је схватио овај разлог.

Истраживање Галилеа Галилеја Галилео Галилеј се није бавио падом различитих тела у вакууму, па се вакуум и не спомиње у његовим делима (њиме се бавио његов ученик Торичели). Он је за огледе користио тешке металне кликере (сфере). Испуштајући ове кликере са торња у Пизи закључио је да нема разлике у брзини пада тежих и лакших кликера.

Око 1604, Галилеј уочио чињеницу: када се предмет испусти, његова почетна брзина је нула, а када падне на Земљу ... тело има брзину. Закључак је да се брзина мења током пада. Галилеј је предложио једноставан закон: брзина тела је пропорционална времену које је прошло од почетка пада: брзина = константа × време.Galileo (1638), Two New Sciences, First Day Salviati speaks: "If this were what Aristotle meant you would burden him with another error which would amount to a falsehood; because, since there is no such sheer height available on earth, it is clear that Aristotle could not have made the experiment; yet he wishes to give us the impression of his having performed it when he speaks of such an effect as one which we see."

Даље је закључио (рачуном који личи на интегрални рачун који ће касније открити Њутн и Лајбниц) да је растојање коју тело пређе при паду: растојање = константа × 0,5 × време²

Ову теорију је потврдио експериментално користећи стрму раван на којој су звона означавала пролазак кликера.

Константа која се појављује у формулама добиће ознаку -{g}-, а њена експериментално утврђена вредност је -{g}- = 9,81 -{m/s²}-.

Данас је овај модел применљив на пад тела у нивоу Земљине површине.

Теорија Исака Њутна

мини|лево|250п|Исак Њутн је саградио мост између Земље и неба. Сматрао је да сила која привлачи Земљу Сунцу, иста она која Месец привлачи Земљи.

Математичар и физичар Исак Њутн развио је између 1665. и 1685. своју теорију механике засновану на убрзању, а не само на проучавању брзине, како су то чинили Галилеј и Декарт.

Основни закон динамике: полазећи од Декартовог принципа инерције (који се бавио одржањем количине кретања), закључио је да је збирно деловање сила на тела једнако , где је инертна маса (која отежава кретање тела), и где је убрзање (ритам промене брзине). (pp. 1–2)

Њутн је желео да обједини законе који важе на Земљи са онима који се могу важе на небу (астрономија), нарочито оне који се односе на Земљину тежу и кретање планета.

Ако се посматра гравитациона сила између два тачкаста тела, Њутнови закони се могу објаснити на следећи начин: Из Кеплерових закона, који су изведени из посматрања кретање тела у Сунчевом систему, и закона Кристијана Хајгенса о центрифугалној сили, Њутн је закључио да гравитациона сила између два тела делује по правој линији између њих и пропорционална је: , где је растојање између тела. Сматрајући да је сила гравитације пропорционална количини материје присутној у телу која делују овом силом (двоструко веће тело делује двоструко већом силом), претпоставио је да је сила пропорционална величини коју је назвао гравитациона маса, пропорционална количини материје у телу и његовој способности да врши привлачно деловање. По принципу акције и реакције, сила којом друго тело делује на прво је једнака (и усмерена у супротном смеру) сили којом прво тело делује на друго. Ова сила је пропорционална , гравитационој маси другог тела. Ако занемаримо остале утицаје, ова сила се може изразити једначином: , где је константа под именом гравитациона константа.

Основни закон динамике се стога може записати као: . Ако је убрзање (и брзина) тела које је у слободном паду независно од инерционе масе (као што је показао Галилејев експеримент), онда за тело важи , дакле гравитациона маса је једнака инерционој маси, што не зависи од врсте и састава тела. Њутн је тестирао ову теорију на много примера и није јој нашао изузетак.

Гравитациона сила на даљину делује тренутно, без кашњења, закључио је Њутн.

Данас се Њутнова једначина силе гравитације записује помоћу векторског рачуна, па је тако гравитациона сила:"Tehnička enciklopedija", glavni urednik Hrvoje Požar, Grafički zavod Hrvatske, 1987.

означава гравитациону силу којом тело 1 привлачи тело 2 (у Њутнима или -{m·kg·s}−2) ; , је гравитациона константа која износи 6,6742x10−11 N·m²·kg−2 (или -{m³}-·-{kg}-−1·-{s}-−2) ; и , представљају масе двају тела (у килограмима) ; , је растојање између два тела (у метрима) ; је јединични вектор усмерен од тела 1 према телу 2 ; знак – означава да тело 2 привлачи тело 1.

Њутнов закон гравитације може да искаже Галилејев закон у првој апроксимацији: ако се са означи полупречник земље, а је маса Земље, добија се да је m·s−2.

Њутнова теорија је експериментално потврђена. У пракси, овај закон показује да је могуће послати на небо предмете теже од ваздуха.

Гаусов закон гравитације

Гаусов је закон у бити исти Њутновом закону универзалне гравитације. Премда је физички истовредан Њутновом, бројне су ситуације где Гаусов закон гравитације нуди погоднији и једноставнији начин израчунавања него Њутнов.

Убрзање земљине силе теже

У овом облику препознаје се Галилејев закон, а Њутнова је заслуга што је доказао да тај исти закон вреди и за кретање Месеца око Земље те за кретање планета око Сунца. Због ротације, Земља је попримила облик геоида, тј. није савршена кугла, него је спљоштена на половима и издужена на екватору. Због ротације и таквог облика Земље тежина неког тела на половима је око 0,5% већа од његове тежине на екватору. Распоред маса на површини Земље (океана, планина), састав Земљине коре, висина од морске површине, итд., заједно с ротацијом и сплоштеношћу Земље, узрокују да се убрзање силе теже мења од једне до друге тачке на Земљи. Прихваћена вредност за -{g0}-, убрзање силе теже на морској површини, износи 9,80665 -{m s–2}-.

Гравитацијска константа