ما هي الجاذبية؟ وكيف تعمل
قد يواجه طالب الفيزياء الجاذبية في الفيزياء بطريقتين مختلفتين: مثل التسارع الناتج عن الجاذبية على الأرض أو الأجرام السماوية الأخرى ، أو كقوة الجذب بين أي جسمين في الكون. في الواقع ، الجاذبية هي إحدى القوى الأساسية في الطبيعة.
طور السير إسحاق نيوتن قوانين لوصف كليهما. ينطبق قانون نيوتن الثاني (Fnet = m.a) على أي قوة صافية تؤثر على جسم ما ، بما في ذلك قوة الجاذبية المختبرة في مكان أي جسم كبير ، مثل الكوكب. يشرح قانون نيوتن للجاذبية الكونية ، وهو قانون التربيع العكسي ، قوة الجاذبية أو التجاذب بين أي جسمين.
قوة الجاذبية
يتم توجيه قوة الجاذبية التي يختبرها جسم داخل مجال الجاذبية دائمًا نحو مركز الكتلة التي تولد الحقل ، مثل مركز الأرض. في حالة عدم وجود أي قوى أخرى ، يمكن وصفها باستخدام العلاقة النيوتونية Fnet = ma ، حيث Fnet هي قوة الجاذبية في نيوتن ( N) و m هي الكتلة بالكيلوجرام (kg) و a تمثل التسارع بسبب الجاذبية في(m/s2).
أي كائنات داخل مجال الجاذبية ، مثل جميع الصخور على المريخ ، تتعرض لنفس التسارع باتجاه مركز المجال الذي يعمل على كتلتها. وبالتالي ، فإن العامل الوحيد الذي يغير قوة الجاذبية التي تشعر بها الأجسام المختلفة على نفس الكوكب هو كتلتها: فكلما زادت الكتلة ، زادت قوة الجاذبية والعكس صحيح.
إن قوة الجاذبية هي وزنها في الفيزياء ، على الرغم من أن الوزن العامي غالبًا ما يستخدم بشكل مختلف.
التسارع الناتج عن الجاذبية
يوضح قانون نيوتن الثاني Fnet = ma ، أن قوة نيوتن تؤدي إلى تسارع الكتلة. إذا كانت قوة نيوتن ناتجة عن الجاذبية ، فإن هذا التسارع يسمى تسارع الجاذبية ؛ بالنسبة للأجسام القريبة من الأجسام الكبيرة مثل الكواكب ، يكون هذا التسارع ثابتًا تقريبًا ، مما يعني أن جميع الأجسام تسقط بنفس التسارع.
بالقرب من سطح الأرض ، يُعطى هذا الثابت المتغير الخاص به: '' g'' ، ويطلق عليه بهذا الإسم غالبًا ، له قيمة ثابتة تبلغ 9.8 (m/s2 وتعني متر على ثانية مربع). (تميّز عبارة "g little" هذا الثابت عن ثابت جاذبية مهم آخر ، G ، أو "big G" ، والذي ينطبق على القانون العالمي للجاذبية) .أي جسم يسقط بالقرب من سطح الأرض يسقط باتجاه مركز الأرض بمعدل متزايد باستمرار ، كل ثانية أسرع 9.8 (m/s) من الثانية السابقة.
على الأرض ، قوة الجاذبية على جسم كتلته m هي:
Fgrav = m.g
مثال مع الجاذبية
يصل رواد الفضاء إلى كوكب بعيد ويجدون أن رفع الأجسام هناك يتطلب ثمانية أضعاف القوة التي يحتاجها على الأرض. ما التسارع الناتج عن الجاذبية على هذا الكوكب؟
قوة الجاذبية على هذا الكوكب أكبر بثماني مرات. نظرًا لأن كتل الأشياء هي خاصية أساسية لهذه الكائنات ، فلا يمكن تغييرها ، وهذا يعني أن قيمة g يجب أن تكون أكبر بثماني مرات أيضًا:
(8Fgrav = m.(8g
تبلغ قيمة g على الأرض 9.8 (m/s2) ، لذا 8 × 9.8 (m/s2) 78.4 = (m/s2).
قانون نيوتن العام للجاذبية
نتج قانون نيوتن الثاني الذي ينطبق على فهم الجاذبية في الفيزياء عن حيرة نيوتن خلال اكتشافات فيزيائية أخرى. كان يحاول تفسير سبب امتلاك كواكب النظام الشمسي مدارات إهليلجية بدلاً من مدارات دائرية ، كما لاحظ يوهانس كبلر ووصفه رياضيًا في مجموعته من القوانين التي تحمل اسمًا.
قرر نيوتن أن عوامل الجذب الثقالية بين الكواكب كلما اقتربت وأبتعدت عن بعضها البعض كانت تلعب دورًا في حركة الكواكب. كانت هذه الكواكب في الواقع في حالة سقوط حر. لقد حدد هذه الجاذبية في القانون العالم للجاذبية:
حيث _Fgrav مرة أخرى هي قوة الجاذبية في نيوتن N
m1_ و m2 هي كتل الجسمين الأول والثاني ، على التوالي ، بالكيلوجرام (كجم) (على سبيل المثال ، كتلة الأرض وكتلة الجسم القريب لسطح الأرض) ، و r2 هو مربع المسافة بينهما بالأمتار (م).
المتغير G ، المسمى "كبير G" ، هو ثابت الجاذبية العام. لها نفس القيمة في كل مكان في الكون. لم يكتشف نيوتن قيمة G (بل وجدها هنري كافنديش تجريبيًا وذلك بعد وفاة نيوتن) ، لكنه وجد تناسب القوة مع الكتلة والمسافة بدونها.
تُظهر المعادلة علاقتين مهمتين:
وكلما زاد حجم أيٍّ من الجسمين ، زادت الجاذبية. إذا كان القمر فجأة أكبر بمرتين مما هو عليه الآن ، فإن قوة التجاذب بين الأرض والقمر ستتضاعف.
كلما اقتربت الأشياء ، زاد جاذبيتها. نظرًا لأن الكتل مرتبطة بالمسافة التي تفصل بينها مربعة ، فإن قوة الجذب تتضاعف أربع مرات في كل مرة تقترب فيها الأجسام بمقدار الضعف. إذا كان القمر فجأة نصف المسافة إلى الأرض كما هو الآن ، فإن قوة التجاذب بين الأرض والقمر ستكون أكبر بأربع مرات.
تُعرف نظرية نيوتن أيضًا باسم قانون التربيع العكسي بسبب النقطة الثانية أعلاه. إنه يفسر سبب تساقط التجاذب الثقالي بين جسمين بسرعة أثناء انفصالهما ، بسرعة أكبر بكثير مما لو حدث تغيير في كتلة أي منهما أو كليهما.
مثال على قانون نيوتن العام للجاذبية
ما هي قوة التجاذب بين مذنب يبلغ وزنه 8000 كجم ويبعد 70000 متر عن مذنب آخر يزن 200 كجم؟
نظرية ألبرت أينشتاين للنسبية العامة
قام نيوتن بعمل مذهل في التنبؤ بحركة الأجسام وتحديد قوة الجاذبية في القرن السابع عشر. ولكن بعد 300 عام تقريبًا ، تحدى عقل عظيم آخر - ألبرت أينشتاين - هذا التفكير بطريقة جديدة وطريقة أكثر دقة لفهم الجاذبية.
وفقًا لأينشتاين ، الجاذبية هي تشويه للزمكان ، نسيج الكون نفسه. الفضاء تلتوي الكتلة ، مثل كرة البولينج تخلق فجوة على ملاءة السرير ، والأجسام الأكثر ضخامة مثل النجوم أو الثقوب السوداء تشوه الفضاء مع تأثيرات يمكن ملاحظتها بسهولة في التلسكوب - انحناء الضوء أو التغيير في حركة الأجسام القريبة من تلك الكتل .
أثبتت نظرية النسبية العامة لأينشتاين نفسها بشكل مشهور من خلال شرح سبب وجود كوكب عطارد ، وهو الكوكب الصغير الأقرب إلى الشمس في نظامنا الشمسي ، في مدار مع اختلاف قابل للقياس عما تنبأت به قوانين نيوتن.
في حين أن النسبية العامة أكثر دقة في شرح الجاذبية من قوانين نيوتن ، فإن الاختلاف في الحسابات باستخدام أي منهما يكون ملحوظًا في معظم الأحيان فقط على المقاييس "النسبية" - بالنظر إلى الأجسام الضخمة للغاية في الكون ، أو سرعات قريبة من الضوء. لذلك تظل قوانين نيوتن مفيدة وذات صلة اليوم في وصف العديد من مواقف العالم الحقيقي التي من المحتمل أن يواجهها الإنسان العادي.
أهمية الجاذبية
الجزء "العالمي" من قانون نيوتن العام للجاذبية ليس زائديًا. هذا القانون ينطبق على كل شيء في الكون بكتلة! تجذب أي جسيمتين بعضهما البعض ، كما تفعل أي مجرتين. بالطبع ، على مسافات كبيرة بما يكفي ، يصبح الجذب صغيرًا جدًا بحيث يكون صفرًا بشكل فعال.
نظرًا لمدى أهمية الجاذبية في وصف كيفية تفاعل كل المادة ، فإن التعريفات العامية الإنجليزية للجاذبية (وفقًا لأوكسفورد: "الأهمية القصوى أو المقلقة ؛ الجدية") أو الجاذبية ("المهابة ، الجدية أو جدية الأسلوب") تكتسب أهمية إضافية. بعد قولي هذا ، عندما يشير شخص ما إلى "خطورة الموقف" ، قد يحتاج الفيزيائي إلى توضيح: هل يقصدون بمصطلحات G الكبيرة أم الصغيرة؟
الترجمة والتدقيق: بوقرة عبد الوهاب
المصدر: sciencing