قانون الجاذبية الأرضية


قانون الجاذبية الأرضية

زاد اهتمام العلماء بدراسة الظواهر الطبيعية في الكون من القرن التاسع عشر، وقادهم ذلك إلى ابتكار الكثير من النظريات العلمية التي تصف بوضوح نوعًا ما طبيعة الكثير من الظواهر كالضوء والصوت وغير ذلك.

ولقد تم التعرف على النموذج المقبول في أوساط العلماء لبنية الكون من خلال نظرية الانفجار العظيم، والتي تصف توسُّع الكون بعد انفجار شديد منذ 13.8 مليار سنة.

وكانت معظم الطاقة الناتجة في صورة إشعاع، وقد ساعدت كل تلك الظواهر في تشكيل النجوم والكواكب، ويتضمن ذلك البنية الفيزيائية للكواكب والتي تُميّز كوكبًا عن آخر، وتعدّ الجاذبية من أهم الظواهر الطبيعية للكون، وسيتناول هذا المقال توضيح قانون الجاذبية الأرضية.

الجاذبية الأرضية :

 تعدّ الجاذبية هي القوة المسؤولة عن إبقاء الأجسام على كوكب الأرض، وتتحكم القوة الكهرومغناطيسية للأجسام ذات الشحن الزائد مثل الإلكترونات والبروتونات في طبيعة تلك الأجسام وحركتها بما يتناسب مع قانون الجاذبية الأرضية.

وقد كان الناس يلاحظون منذ وقت قديم أن الأجسام تتحرك بشكل طبيعي نحو الأرض، لكن الأمر استغرق الكثير من الوقت للتعرف على طبيعة الجاذبية بشكل كامل.

وقد كانت فكرة الجاذبية مرتبطة بسقوط الأشياء على الأرض قبل أن يتوصل العلماء إلى أن نفس تلك الفكرة هي من ضمن العوامل المؤثرة في حركة ودوران الكواكب التي تدور حول الشمس من خلال مضاعفة كتلة الأجرام السماوية.

مما يجعل قوتها تساوي ضعف القوة اللازمة لدورانها، إن الجاذبية تتحكم بكل ما يختص بحركة كوكب الأرض، وكذلك بحركة كل جسم على كوكب الأرض، وقد اختلف مفهوم الجاذبية وشهد تطورًا هائلًا من بداية القرن العشرين.

تاريخ اكتشاف الجاذبية الأرضية :

 قدّم الفيلسوف اليوناني أرسطو واحدة من المحاولات الأولى والأكثر شمولية لتفسير علمي لقوانين الجاذبية من خلال طرح فكرة أن الأجسام تتحرّك نحو (مكانها الطبيعي).

وكل شيء ينجذب نحو مكانه الطبيعي في نموذج أرسطو، وقد كان أرسطو يعتقد أن الأجسام تسقط بسرعة تتناسب مع وزنها، وبمعنى آخر فإذا أسقط أحدهم جسمًا خشبيًا وجسمًا معدنيًا بنفس الحجم على حد سواء فإن الجسم المعدني الأثقل يسقط بسرعة أكبر نسبيًا.

قد صمدت فلسفة أرسطو حول الحركة نحو المكان الطبيعي للمادة لمدة 2000 عامًا تقريبًا حتى عهد غاليليو غاليلي الذي أجرى تجارب تدحرجت فيها الأجسام ذات الأوزان المختلفة أسفل الطائرات المائلة.

ووجد أنها سقطت بنفس معدل التسارع بغض النظر عن وزنها، وكان الإسهام الرئيس للسير إسحاق نيوتن هو توضيح أن حركة السقوط التي لوحظت على الأرض كانت تتبع نفس سلوك الحركة التي يقوم بها القمر والأجسام الأخرى.

وقد بُنيت هذه الرؤية من قِبل نيوتن بالاستعانة بنماذج غاليليو القديمة من خلال تبنّي نماذج مركز الشمس ومبدأ كوبرنيكان التي طوّرها نيكولاس كوبرنيكوس قبل جاليليو.

إن تطوير نيوتن لقانون الجاذبية الأرضية جمع هذه المفاهيم معًا في شكل صيغ رياضية تنطبق على تحديد قوة الجذب بين أي جسمين، جنبًا إلى جنب مع قوانين نيوتن للحركة.

ثم طوّر أينشتاين مفاهيم قانون الجاذبية الأرضية من خلال نظريته العامة للنسبية والتي تصف العلاقة بين المادة والحركة من خلال تفسير يشير إلى أن الكائنات ذات الكتلة تنحني فععليًا في نسيج المكان والزمان والمعروف بالزمكان، وهذا يغير مسار الأشياء بطريقة تتفق مع الفهم الشائع الآن لقانون الجاذبية الأرضية.

ومع ذلك هناك بعض الحالات التي لا يمكن حتى للنسبية العامة أن تُعطي نتائجًا ذات مغزى، وواحد من أشهر هذه الأمثلة هو طول الثقب الأسود حيث النسيج السلس للزمان لا يتوافق مع الطاقة التي تتطلبها فيزياء الكم.

لكن تم حل هذا من الناحية النظرية من قِبل الفيزيائي ستيفن هوكينج الذي تنبأ بأن الثقوب السوداء تشعّ الطاقة في شكل إشعاع.

خصائص الجاذبية الارضية :

قبل توضيح قانون الجاذبية الأرضية تجدر الإشارة إلى أن الجاذبية هي واحدة من القوى الأساسية الأربعة للطبيعة، والقوى الأخرى هي القوة الكهرومغناطيسية والقوة النووية القوية والقوة النووية الأدنى.

ولا تُظهر الجاذبية نفسها كاحتكاك أو توتر أو ضغط أو أي نوع من أنواع القوة التلامسية، بل إن الجاذبية هي أضعف القوى الأساسية الأربعة فهي ضعيفة جدًا بحيث يمكن تجاهلها تمامًا في التفاعلات الجزيئية.

وتكون الجاذبية بين إلكترونين أضعف بمقدار 1039 مرة تقريبًا من قوى التنافر الكهربائي، وتضعف الجاذبية مع المسافة بما يتناسب مع مقدار الفصل بين جسمين يتعرضان لنفس القوة.

حيث تضعف القوتان بسرعة أكبر مع زيادة المسافة بحيث تصبح هاتان القوتان بلا تأثير بالغ على مسافات بحجم ذرة أو أكبر، وتضعف القوة الكهرومغناطيسية أيضًا مع زيادة الفصل.

ولكن يمكن إلغاء القوة الكهرومغناطيسية بسبب وجود شحنة كهربائية موجبة وسالبة؛ لذلك لا يمكن إلغاء قوى الجاذبية بينما على مسافات كبيرة تصبح الجاذبية هي القوة المهيمنة والقوة الوحيدة التي يجب مراعاتها في معظم التفاعلات.

قانون الجاذبية الأرضية :

لتوضيح قانون الجاذبية الأرضية تجدر الإشارة أولًا إلى أن تلك القوانين في أذهان الكثير من الناس تعود إلى القصة الشهيرة التي توصّل إليها إسحاق نيوتن بعد سقوط تفاحة على رأسه رغم أنها لم تحدث على ذلك النحو.

وعلى الرغم من أن نيوتن بدأ يفكر في تعيين قانون الجاذبية الأرضية في مزرعة والدته وهو يفكر في الكيفية التي سقطت بها التفاحة من الشجرة، وقد تساءل نيوتن عما إذا كانت نفس القوة التي أسقطت التفاح تعمل أيضًا على القمر وعلى بقية الأجرام السماوية، وتساءل إذا كان الأمر كذلك فلماذا سقطت التفاحة على الأرض وليس القمر؟.

وجنبًا إلى جنب مع قوانينه الثلاثة للحركة كان لنيوتن الفضل في تعيين قانون الجاذبية الأرضية في 1687، ثم قام يوهانس كيبلر عالم الفيزياء الألماني بوضع ثلاثة قوانين تحكم حركة الكواكب الخمسة المعروفة آنذاك.

ولم يكن لديه نموذج نظري للمبادئ التي تحكم هذه الحركة بل حققها من خلال التجربة والخطأ على مدار دراساته وأبحاثه التي استغرقت الكثير من السنوات.

 وقد استعان نيوتن بعد ما يقرب من قرن من الزمان بتطبيقات قوانين الحركة التي طوّرها لوضع إطار رياضي صارم لهذه الحركة الكوكبية، وقد أوضح نيوتن قانون الجاذبية الأرضية من خلال توضيح طبيعة انجذاب كل جسيم من المادة في الكون نحو جسيم آخر بقوة بحيث تتناسب تلك القوة طرديًا مع إجمالي كتل الجسيمات وبما يتناسب عكسيًا مع مربع المسافة بينهما، ويمكن توضيح قانون الجاذبية الأرضية من خلال معادلات رياضية كالآتي

  • : FG = Gm1m2 / r2
  • وفي هذه المعادلة يتم تعريف الكميات على النحو الآتي
  • = FG  قوة الجاذبية
  • G =ثابت الجاذبية الذي يضيف المستوى المناسب من التناسب إلى المعادلة
  •     = m1 & m1  كتل الجسيمين وتكون عادة بالكيلو غرام
  •  =R مسافة الخط المستقيم بين الجزيئين وتكون عادة بالأمتار.

 وهذه المعادلة تعطي حجم القوة المطلوبة والتي تكون موجهة دائمًا نحو الجسيمات الأخرى، ووفقًا لقانون نيوتن الثالث للحركة تكون هذه القوة دائمًا متساوية ومعاكسة، وهذا هو السبب في سقوط الأجسام الخفيفة على الأرض بشكل أسرع بكثير.

ومع ذلك فإن القوة المؤثرة على الجسم والأرض لها نفس المقدار على الرغم من أنها لا تبدو بهذه الطريقة، فعندما تتفكك الأجسام تنخفض قوة الجاذبية بسرعة كبيرة، وهذا إجمالًا توضيح قانون الجاذبية الأرضية.

علاقة الجاذبية الأرضية بنظرية الانفجار :

 العظيم بعد توضيح قانون الجاذبية الأرضية تجدر الإشارة إلى أن الجاذبية مسؤولة عن ترتيب الأجسام الكونية، وهي تتسبب في اندثار جزيئات الفضاء المنجرفة ببطء إلى كتل أكبر وأكبر بحيث تصبح في نهاية المطاف كواكب ونجوم ومجرات.

إنها قوة ثابتة في كل مكان ونادرًا ما يمكن ملاحظتها، لكن بدون مفاهيم قانون الجاذبية الأرضية لا يمكن أن يظهر الكون بشكله الحالي، وتلعب الجاذبية دورًا بارزًا في نظرية الانفجار الكبير.

وهو الحدث الذي شهد التوسع الهائل للكون الذي تنبثق منه مليارات من المجرات، وقد اقترح آينشتاين أيضًا أن قوة الجاذبية مرتبطة للغاية بأصل الكون الذي توضح نشأته الآن نظرية الانفجار العظيم، لقد بدأ الكون ككيان فردي من نقطة ذات حجم صفري وكثافة لانهائية تحتوي على كل معالم الكون ثم بعد الانفجار الكبير سرعان ما توسّع بما يكفي للتغلب على الجاذبية.

وتوقع أينشتاين أن للجاذبية دورًا كبيرًا في تجميع جزيئات الغاز والغبار الناتج عن ذلك بما أدى في نهاية المطاف إلى نشأة الكون.

الاختلاف بين الجاذبية الارضية والمغناطيسية :

الجاذبية والمغناطيسية ليست هي ذات الشيء، إنهما قوى منفصلة تمامًا، فالجاذبية هي القوة التي تعمل بين أي جسمين بغض النظر عن مكوناتها، وهي السبب الذي يجعل الأجسام تبدو وكأنها، تبعًا لمفاهيم قانون الجاذبية الأرضية.

يتم سحبها نحو الأرض، وذلك لأن الأرض كبيرة لدرجة أن ذلك لا يكفي لحركتها دون عوامل خارجية، لكن على عكس الجاذبية التي تحدث بين أي أجسام فإن المغناطيسية تعتمد على خصائص محددة للأجسام، ويمكن للمغناطيسية إما سحب الأجسام معًا أو دفعها بعيدًا، والأهم من ذلك يعتمد على ما يحدث مع الإلكترونات الموجودة في المادة.

لأن كل إلكترون يشبه المغناطيس الصغير، وتمتلك معظم المواد قوة مغناطيسية قليلة للغاية لأن إلكتروناتها تعمل مثل مغناطيسات تشير بكل اتجاه، وفي بعض المواد يمكن للإلكترونات أن تُخفّض طاقتها عن طريق الاصطفاف مغناطيسيًا.

وفي بعض المواد يمكن اصطفاف المجالات جميعًا حتى تنتج قوى مغناطيسية كبيرة حقًا، وكلٌّ من المغناطيسية والجاذبية يمكن أن يؤثر على الأشياء بدرجة كبيرة.

 وكلٌّ من الجاذبية والمغناطيسية يمكن أن يصبح أضعف لأن الأشياء تتفكك أحيانًا، وهذا هو السبب في تأثير الجاذبية على الأرض، ولهذا السبب أيضًا يتحرك مغناطيسان معًا إذا كانا بالقرب من بعضهما البعض ولكن إذا كانا بعيدًا عن بعضهما فلن يحدث شيء.

ومع ذلك فعندما ينفصل جسمان عن بعضهما تنخفض الجاذبية بينهما بنحو أربعة أضعاف عندما تتضاعف المسافة بينما في المقابل تنخفض القوة المغناطيسية بنحو ستة عشر مرة.

 علاقة الجاذبية بالثقوب السوداء :

 لتوضيح علاقة الجاذبية بالثقوب السوداء تجدر الإشارة أولًا إلى أن الثقوب السوداء هي نقاط في الفضاء كثيفة للغاية، وهي تخلق أحواض جاذبية عميقة.

وخارج منطقة معينة منها لا يمكن حتى للضوء الهروب من السَّحب القوي لجاذبية الثقب الأسود، وأي شيء يصبح منها قريبًا جدًا سواء كان نجمًا أو كوكبًا أو مركبة فضائية يتم تمديده وضغطه مثل المعجون.

وهناك أربعة أنواع من الثقوب السوداء: النجمية والمتوسطة والفائقة الكتلة والمصغرة.

 إن الطريقة الأكثر شيوعًا لتشكيل الثقب الأسود هي "الموت النجمي"، فعندما تصل النجوم إلى نهايات دورات حياتها فإن معظمها سوف يتضخم ويفقد الكتلة ثم يبرد ليشكل أقزامًا بيضاء.

وفي مراحلها النهائية تخرج النجوم الهائلة بانفجار كبير، ومثل هذه النجوم المتفجرة تخلق حالة من الانصهار النووي بما يتوازن مع السَّحب الداخلية للجاذبية من كتلة النجم، ومع ذلك فبداخل بقايا النجم المتفجر ليست هناك قوى لمعارضة تلك الجاذبية.

ويمكن أن تنمو الثقوب السوداء طوال حياتها مما يؤدي إلى تسرب الغاز الذي يعد من أي الأشياء القريبة جدًا بفضل الزيادة الحادة في قوة الجاذبية عند الوقوع في الثقب الأسود.

 لكن الثقوب السوداء ليست بالضبط "مكانس كهربائية كونية" كما هو موضح غالبًا في وسائل الإعلام الشعبية، إذ يجب أن تزحف الأشياء إلى حدٍ ما بالقرب من منطقة الثقب الأسود حتى تفقد تحكّم الجاذبية.

ومن الشائع الآن أنه في منتصف جميع المجرات تقريبًا يوجد ثقب أسود يزن مليارات الأطنان وفي بعض الحالات يكون بقدر كتلة الشمس، وتعدّ الثقوب السوداء مهمة للغاية لأنها بمثابة تجسيد لنظرية أينشتين.

لقد أعطى أينشتين فهمًا جديدًا لقانون الجاذبية الأرضية من خلال الاكتشافات الحديثة لمفاهيم الثقوب السوداء.

 علاقة الجاذبية بالوزن والكتلة :

 يشيع تناول مفاهيم "الكتلة" و"الوزن" و"الجاذبية" بالتبادل في الكثير من الأحيان، والكتلة هي مقدار المادة في الجسم في حين أن الوزن هو مقياس لكيفية تأثير قوة الجاذبية على تلك الكتلة، وبمعنى آخر فالوزن هو مقياس مقدار القوة التي تؤثر على كتلة بسبب الجاذبية، ويمكن توضيح ذلك من خلال علاقة رياضية كالآتي:

  • W = m g
  • حيث Wتشير إلى الوزن، وm تشير إلى الكتلة، وg تشير إلى الجاذبية.

 وعند مقارنة الكتلة والوزن على الأرض تبدو قيم الكتلة والوزن هي نفسها، بينما إذا تم تغيير الموقع المحدد فيما يتعلق بالجاذبية فستظل الكتلة على حالها لكن الوزن لن يتغير.

وعلى سبيل المثال فكتلة جسم ما هي قيمة محددة لكن وزنها قد يختلف على سطح القمر مقارنةً بالأرض، والوزن يعتمد على تأثير الجاذبية، بينما الكتلة هي كمية عددية، ولديها حجم، أما الوزن فهو كمية متجهة.

إذ لها حجم ويتم توجيهها نحو مركز الأرض، إن حساب الجاذبية على الأجسام الأخرى كما هو الحال على الأرض لا يعتمد فقط على الكتلة ولكن أيضًا على مدى (التسطح) بالنسبة إلى مركز الثقل.

فعلى الأرض على سبيل المثال يكون وزن أي شخص أقل قليلًا على قمة الجبل عنها عند مستوى سطح البحر، ويصبح التأثير أكثر وضوحًا للأجسام الكبيرة مثل كوكب المشتري في حين أن الجاذبية التي يمارسها كوكب المشتري بسبب كتلته أكبر من الأرض بمقدار 316 مرة ولن تزن أكثر من 316 مرة، لأن "سطحه" بعيدًا جدًا عن المركز.

علاقة الجاذبية بالتسارع :

الجاذبية ليست كلمة محددة جيدًا في الفيزياء في حين أن "التسارع" بسبب الجاذبية يعني شيئًا محددًا للغاية، فالجاذبية يمكن أن تعني عدة أشياء.

إنه الاسم العام للظاهرة التي تُسقط الأشياء، وهو أيضًا الاسم الذي يتم إطلاقه على أي آلية تؤدي إلى سقوط الأشياء ومن خلالها يوجد العلماء إجابات على أسئلة مثل:

(لماذا تسقط الأشياء؟) أو (كيف تؤثر الجاذبية على مدار الأرض)، إن (التسارع) ينتج عن الجاذبية، وهو أكثر دقة بكثير، إنه التسارع الذي يُحدثه الجسم عندما يتم إسقاطه بدون وجود قوى خارجية أخرى عليه.

إنها حقيقة تجريبية مذهلة أن جميع الأجسام تواجه نفس التسارع بسبب الجاذبية عندما يتم إسقاطها في نفس المكان، وبالقرب من سطح الأرض فإن التسارع الناتج عن الجاذبية يبلغ حوالي 9.8 متر لكل ثانية.

بينما يبلغ على سطح القمر حوالي 1.6 متر لكل ثانية، وأخيرًا تجدر الإشارة إلى أن الأشخاص غالبًا ما يكونون غير دقيقين في استخدامهم اللغوي لتلك المصطلحات العلمية بحيث يتم على سبيل الخطأ استخدام كلمة (الجاذبية) على أنها تعني (التسارع) أو (القوة)، ولذلك ينبغي فهم كل ظاهرة من تلك الظواهر ووصفها على النحو الصحيح والدقيق.