قانون الجاذبية الأرضية

تحرير: موقع زيادة في 22 سبتمبر 2022

قانون الجاذبية الأرضية أو قانون الجذب العام هو من أهم القوانين في الفيزياء الكلاسيكية، وهو الذي يوضح ويتوقع بدقة علاقة الأجسام مع بعضها من حيث الانجذاب حسب كتلة كل جسم وضعه العالم نيوتن وظلت النظرية الأهم حتى جاء العالم أينشتاين بنظرية النسبية التي هذت عرش الفيزياء الكلاسيكية.

قانون الجاذبية الأرضية

هو ما يعرف بقانون الجذب العام (Newton’s law of universal gravitation) ويسمى في بعض الأحيان بـ”قانون التربيع العكسي”.

نص القانون:

“كل كتلتين في الكون تجذب احداهما الاخرى بقوة تتناسب طرديا مع حاصل ضرب كتلتيهما وعكسيا مع مربع البعد بين مركزي الكتلتين”

و هو قانون استنباطي أي إنه يتواجد قوة تجاذب بين أي جسمين في الكون تتناسب عكسيًا مع مربع المسافة بينهم وطرديًا مع حاصل ضرب كتلييهما.

الصيغة الرياضية لقانون الجاذبية:

= G \frac{m_1 m_2}{r^2}
أو

FG = Gm1m2 / r2

حيث أن:

G هو ثابت الجذب العام
m_1 هو رمز كتلة الجسم الأول ( تكون عادة بوحدة قياس الكيلو جرام).
m_2 هو رمز كتلة الجسم الثاني ( تكون عادة بوحدة قياس الكيلو جرام).
F هو رمز القوة الناتجة عن التجاذب.
r هو رمز مقدار البعد بين جسمين ( المسافة وتكون عادة بوحدة القياس المترية).

العلاقة بين الوزن والكتلة

يختلط مفهوم الوزن والكتلة يتم التبديل بينهم لكن هناك فارق كبير
الكتلة: هي مقدار المادة المكونة للجسم.
الوزن: هي رد فعل وتأثير الجاذبية على هذه الكتل.
أي أن الوزن هو مقدار القوة التي تؤثر على الجسم بسبب الكتلة.
و العلاقة الرياضية بينهم W = m ∗ g.
W الوزن.
mالكتلة.
g الجاذبية.
فعند مقارنة الوزن والكتلة على سطح الأرض لا تجد فارق بينهم، لكن كلما ابتعدنا عن الأرض يقل الوزن لكن الكتلة ثابتة.
مثلًا وزن أي شخص أعلى قمة جبل ايفرست أقل من وزنه على شاطئ البحر الميت.
و في عالم الاجرام السماوية يكون الفرق واضح بسبب الفرق الكبير في الحجم فمثلًا الجاذبية التي على كوكب المشتري بسبب كتلته الكبيرة أكبر من الجاذبية التي على كوكب الأرض بواقع 316 ضعف.

تاريخ قانون الجاذبية الأرضية

الأجسام التي على الأرض منذ بدأ الخلق / منذ الانفجار العظيم وهي تتحرك نحو الأرض مهما كانت قوة رميها بعيدًا عنها ولم يهرب أي جسم من تلك القوة الكامنة في الأرض حتى نهايات القرن العشرين مع خروج أول مسبار فضائي خارج مجال الجاذبية الارضية.
لكن في التاريخ المكتوب لا يوجد أي إشارة على قيام إنسان بالتفكير عن العلة وراء هبوط الأجسام نحو الأرض إلى أن قدم الفيلسوف اليوناني أرسطو أول تصور نحو هذه القوة العظيم كان يرى أن الأجسام تنجذب نحو مكانها الطبيعي فقط وأن الأجسام تسقط بسرعة تتناسب مع وزنها مثلًا إذا رمى شخص قطعة معدن وريشة من مكان عالي ستسقط قطعة المعدن أولًا بسبب حجمها ووزنها فقط.
لكن بعد قرابة الألفي عام جاء العالم جاليليو حيث أجر تجربة أثبت فيها أن الأجسام تدحرج بنفس السرعة والتسارع بغض النظر عن وزنها.
و كانت تجارب العالم جاليليو ونمازجه القديمة التي طورها كوبرنيكوس (عن الأجرام السماوية) هي النواة التي بنى عليها العالم نيوتن نظريته، فقد لاحظ أن حركة سقوط الأجسام الصغيرة على الأرض تتبع نفس نمط حركة الكواكب و باقي الاجرام في السماء.
بينما قام نيوتن بجمع قوانين الحركة الثلاثة التي وضعهم بجانب ملاحظاته وتجارب العلماء السابقين له أخرج لنا قانون بصيغة رياضية يمكن من خلاله تحديد قوة الجذب بين جسمين.

ثم في عام 1687 قام العالم الألماني يوهانس كليبر بوضع ثلاثة قوانين تتوقع حركة الأجرام السماوية (كان يعرف منها خمسة فقط)، قام بدراسته عن طريق المشاهدة والتوقع والتجربة فقط لم يتوفر لديه نموذج نظري.

ثم جاء العالم العظيم أينشتاين بجمع كل النظريات ووضع لنا نظرية النسبية العامة، التي توضح العلاقة بين المادة والحركة أي أن سرعة الأجسام تؤثر في مادتها، أي أن الأجسام ذات الكتلة عندما تتحرك يحدث انحناء فعلي في نسيج الزمكان، والذي قادنا بدوره إلى إنه لا يمكن لأي جسم ذو كتلة الوصول إلى سرعة الضوء، وبالتالي الطبيعة المزدوجة (للأشعة/ موجات) الضوء وأن الضوء بلا كتلة.
و الذي ترتب عليه قانون E=mc² أي أن حاصل ضرب الكتلة في مربع سرعة الضوء تكافؤ الطاقة (يمكن تحويل مادة إلى طاقة) وهو القانون القائم عليه فكرة القنبلة النووية.
لكن مع تلك الأمثلة تطلب عند انفجار عظيم لنجم عملاق أن تغلب الجاذبية المتولدة من الطاقة الانفجارية على قوة الانفجار مكون ما يسمى الثقب الأسود القادر على ثني نسيج الزمكان ولا يهرب من جاذبيته شيء حتى الضوء، لكن تلك النظرية تتعارض مع فيزياء الكم، فكانت مجرد طرح على الورق فقط إلى أن جاء العالم ستيفن هوكينج الذي قام بالتوفيق بينهم.

قصة اكتشاف الجاذبية الأرضية

يقال أن في عام 1666 كان العالم إسحاق نيوتن يجلس تحت شجرة عندما سقطت تفاحة على رأسه من الشجرة، وهنا بدأ يفكر لماذا سقطت من أعلى لأسفل ولم تتجه لأعلى، ولماذا سقطت بشكل عامودي
ظل يفكر إلى أن وصل إلى أن هناك قوة في الأرض هي التي تجذب التفاحة لأسفل كما تجذب كل شيء نحوها، و بعد حوالي عشرون عام من التفكير والبحث توصل إلى قانون الجذب العام.

(قصة جميلة وقد تكون صحيحة أو غير صحيحة لا يوجد أثبات على صحتها، مجرد قصص يتناقلها الدارسون في أروقة قاعات العلم)

العلاقة بين التسارع والجاذبية

الجاذبية: ليست محددة بصورة دقيقة فهي مجرد القوة التي تفرضها الأرض على الأجسام، الاسم العام لتلك القوة التي تسقط الأشياء، ويتم إطلاقها على كل الآليات التي تقوم بذاك الفعل.
التسارع: ينتج من الجاذبية؛ لذلك هو أكثر دقة.

أهمية الجاذبية الأرضية

تساعد في تحريك القمر في أطواره المعتادة والثابتة الذي يقوم بدوره بموازنة الأرض حول محورها كأنه مركز ثقل خارجي، ويقوم بعملية المد والجزر الهامة لحياة الكائنات البحرية.
مهمة في توازن أجسام الكائنات الحية ( في المملكتين الحيوانية والنباتية) وقدرتها على القيام بكافة الوظائف الحيوية.
هي التي تحفظ الغلاف الجوي للأرض في مكانه مما يسمح للغازات التي ينفسها كافة الكائنات الحية، والحفاظ على الضغط الجوي المناسب للحياة.
وجود الغلاف الجوي في مكانه بترتيب الغازات هكذا يحفظ الأرض من كافة الأخطار التي تتربص بها في الفضاء الخارجي مثلا وزن غاز الأوزون ‏O₃ الذي كتلته ‏48.00 غ/مول خفيف؛ لذلك يكون في مقدمة الغازات التي تتلقى الاشعة الفوق بنفسجية و تمنعها من النفاذ للأرض، و بما إنه غاز سام لا يمكن تنفسه لذلك هو يقوم بدوره في مكانه على أكمل وجه
بسب الجاذبية الأرضية عند اختراق أي شهاب لمجال الغلاف الجوي يزداد تسارعه بصورة كبيرة؛ فيزداد احتكاكه بطبقات الهواء فيحترق أغلب الأعداد قبل الوصول للأرض ونراه على شكل سهم لامع يخترق ظلام الليل، ولا يصل للأرض سوى النيازك ذات الأحجام الكبيرة.
لعبت الجاذبية بشكل عام في تشكيل الكون كما يراه الفزيائيون فيما يعرف بنظرية الانفجار العظيم حيث بدأ الكون من نقطة ذات حجم صفري وكتلة لا نهائية ثم حدث الانفجار العظيم الذي أدى إلى تسارع توسع الكون بشدة؛ ما إن برد الكون لعبت الجاذبية دور مهم في تجميع جزيئات المادة و الغبار حول كتل تكبر ببطء مكونة الكواكب والأقمار والنجوم وأدى في نهاية المسيرة إلى نشأة الكون بصورته التي نعرفه الآن فنحن فعليًا مصنوعين من الغبار الكوني بفعل الجاذبية.

الفرق يبن الجاذبية الارضية والجاذبية المغناطسية

الجاذبية الارضية و الجاذبية المغناطسية مختلفتان تمامًا وليسا نفس الشيء
فالجاذبية هي القوة التي تنشأ بين أي جسمين بسبب فارق الكتلة بينهم، التي تجعل الأجسام وكأنها يتم سحبها ناحية الأرض.
الجاذبية المغناطسية تعتمد على خصائص كيمائية وفزيائية محددة للأجسام.
فيمكن للمغناطيس سحب الأجسام أو دفعها حسب أتجاه القطب، وما يحدث داخل المادة من حركة إلكترونات؛ لان كل إلكترون ما هو إلا مغناطيس صغير.

بذلك نكون قد تحدثنا عن قانون الجاذبية الأرضية ونصّه والصيغة الرياضية له وتاريخه وإسهام العلماء في هيكلته، وأهمية الجاذبية الارضية و الفرق بينها وبين بعض المفاهيم المتشابكة ونرجو أن نكون قد افدناكم.