تعريف الجاذبية الأرضية

الجاذبية

يُعبّر مصطلح الجاذبيّة عن قوّة الجذب الكونيّة التي تُوجد بين جميع أنواع المواد، وتتميّز هذه القوّة بأنّها الأضعف بين أنواع القوى الكونيّة الأخرى التي تُوجد في الطبيعة؛ وبالتّالي فإنّها لا تلعب دورًا في تحديد الخصائص الدّاخلية للمواد، وعلى الرّغم من ذلك فإنّها تتميّز ببعد المدى والتأثير الكونيّ؛ حيث إنّها تتحكّم بمسارات الأجسام التي تُوجد في النّظام الشمسيّ أو الأماكن الأخرى في الكون بالإضافة إلى تحكّمها ببناء وتطوير النّجوم والمجرّات والكون بأكمله، ويتميّز كل كوكب من كواكب المجموعة الشمسيّة بامتلاكه لقوّة الجاذبيّة بمقدار معيّن، ولا بُد من تعريف الجاذبية الأرضية بشكلٍ خاصٍ ومعرفة خصائصها لما لها من تأثير على الكوكب الذي يعيش به الإنسان.^[١]

تعريف الجاذبية الأرضية

يُشير تعريف الجاذبية الأرضية إلى جاذبيّة أو انحناء الزّمكان؛ وتحدث كنتيجةٍ لخاصيّة الجاذبيّة لكتلة الأرض؛ حيث تجذب جميع الأجسام الموجودة في الكون بعضها البعض بالنسبة لكتلتها والعلاقة بين المربّع العكسيّ للمسافة بين مراكزها، كما يُمكن الإشارة إلى تعريف الجاذبية الأرضية بأنّه إحدى خصائص كوكب الأرض التي تسهم في جذب جميع الأجسام باتّجاه مركزها نتيجة لكتلتها الضخمة، كما أنّ هُناك قوّة جذب بين الأجسام؛ حيث إنّها تجذب بعضها البعض أيضًا، وتتميّز الجاذبيّة الأرضيّة بأنّها تجذب جميع الأشياء باتجاهها بتسارعٍ يبلغ 9.8 متر لكل ثانيّة مربّعة.^[٢]

مجال الجاذبية

يجب الإشارة إلى مجال الجاذبيّة في حالة تعريف الجاذبية الأرضية؛ حيث يُعبّر عن مجال القوّة الذي يُوجد في الفراغ الموجود حول كل كتلة ما أو مجموعة من الكتل، ويمتد هذا المجال في جميع الاتجاهات إلّا أنّ مقداره يقل أو يزيد اعتمادًا على المسافة بين الأجسام، ويُقاس مجال الجاذبيّة بوحدة القوّة لكل وحدة كتلة؛ وغالبًا ما يتم استخدام وحدة النيوتن لكل كيلوغرام، كما يتميّز هذا المجال بأنّه أحد أنواع مجالات القوّة ويُشبه كل من المجال الكهربائي والمغناطيسيّ للجسيمات الكهربائيّة المشحونة والمغناطيس، ويُمكن الإشارة إلى مجال الجاذبية الموجود حول الأجسام باستخدام طريقتين كما يأتي:^[٣]

• الأسهم: تُشير الأسهم إلى مقدارالقوّة واتجاهها في نقاط مختلفة في الفضاء؛ وكلما زاد طول السّهم يزداد مقدار القوّة.
• خطوط المجال: تُشير هذه الخطوط إلى اتجاه القوّة المؤثّرة على جسم موجود في مكان معيّن في الفضاء، ويُشار إلى مقدار المجال عن طريق تباعد الخطوط وكلّما اقتربت من بعضها البعض تزداد قيمة القوّة.

نظرية جاليليو للجاذبية

بدأ العالم جاليليو جاليلي قبل 400 سنة برمي الأشياء من أعلى برج بيزا المائل كالكرات والذّهب والفضّة والخشب، وقد توقّع أنّ تسقط الأجسام الثقيلة على الأرض بسرعةٍ أكبر من الأجسام الخفيفة؛ إلّا أنّها جميعها ضربت الأرض بنفس الوقت؛ ونتيجةً لذلك اكتشف العالم أنّ الجاذبية تسهم في تسارع جميع الأجسام بنفس المعدّل بغض النّظر عن الكتلة أو المكوّنات، ويُطلق على هذه النتيجة في يومنا الحالي السّقوط الحر أو مبدأ التكافؤ؛ الذي يُعدّ حجر الأساس للفيزياء الحديثة؛ حيث وضع العالم ألبرت آينشتاين النظرية النسبيّة العامة مفترضًا صحّة هذا المبدأ، ولكن تقترح بعض النّظريات الحديثة أنّ تسارع الجاذبيّة يعتمد على مكوّنات المواد الخاصّة بالأجسام بشكلٍ دقيقٍ؛ وفي حالة ظهور صحّة هذه المعلومات سيكون من الواجب إعادة النّظر في النظريّة النسبيّة.^[٤]

نظرية نيوتن للجاذبية

ظهر تعريف الجاذبية الأرضية في قصّة عالم الرياضيات والفيزياء الإنجليزيّ إسحاق نيوتن في القرن السادس عشر للميلاد؛ وقد تكون هذه القصة حقيقيّة أو أسطورة، وتدور حول جلوس العالم تحت شجرة تفّاح وسقوط ثمرةٍ منها على رأسه الأمر الذي قاده للتفكير في سبب سقوطها وجذبها إلى الأرض مباشرة، وقد نشر العالم نظريته الخاصّة بالجاذبيّة الكونيّة في الثمانينات من القرن السّادس عشر، وما يأتي تفصيلًا لهذه النظرية:^[٥]

نص نظرية نيوتن للجاذبية

يظهر تعريف الجاذبية الأرضية في نظرية نيوتن بأنّها قوّة يُمكن ملاحظتها وتؤثّر على جميع الأشياء الموجودة في الكون كما أنّها اقتران بين الكتلة والمسافة، كما تُشير النظرية إلى أنّ كل جسيمات المواد تجذب بعضها البعض؛ ويُقصد بهذه الجسيمات كل من الأجسام التي توجد على كوكب الأرض والأجسام التي تُوجد في الكائنات الحيّة، ويكون مقدار هذه القوّة متناسبًا تناسبًا طرديًا مع محصّلة الكتل وتناسبًا عكسيًا مع مربّع المسافة الواقعة بينهما، وهذا يُشير إلى انخفاض قيمة قوّة الجاذبيّة بين الأجسام البعيدة عن بعضها والأجسام التي تحمل كتل صغيرة الحجم والعكس صحيح.

قانون نظرية نيوتن للجاذبية الأرضية

يُمكن تعريف الجاذبية الأرضية على شكل معادلات رياضية وقوانين فيزيائية بالإضافة إلى ذكرها على شكل نصيّ، حيث وضع العالم نيوتن قانون خاص للجاذبية وهو: قوّة الجاذبية= "ج*ك1*ك2" / "م^2"، وتُشير كل من الرموز السابقة في هذه المعادلة الفيزيائية إلى ما يأتي:

• ج: ثابت الجاذبيّة الأرضية، ويحمل القيمة 10E-8 * 6.67 داين*سنتمتر مربّع*جيجامتر مربّع، فعلى سبيل المثال في حالة وضع كتلة تساوي 1غرام على بُعد 1 سنتمتر من جسم آخر، سيقوم الجسمان بجذب بعضمها البعض بهذا المقدار من القوّة، وتساوي وحدة الداين 0.001 غرام تقريبًا، ففي حالة امتلاك قوّة تساوي 1 داين ستتمكّن من حمل 0.001 غرام من مجال الجاذبية الأرضية، وبالتالي تعد قوّة ضعيفة.
• ك: يُشير كل من ك1 وك2 إلى كتلة الجسمين المُستخدمين لحساب القوّة، وفي حالة التعامل مع أجسام ضخمة ككوكب الأرض فإنّ قوّة الجاذبية تكون كبيرة جدًا، وتعدّ قوّة الجاذبية المؤثّرة هي وزن الجسم أيضًا؛ حيث إنّ وزن الجسم يساوي كتلته مضروبة بتسارع الجاذبية والذي يساوي على كوكب الأرض 9.8 متر لكل ثانيّة تربيع.
• م: يُشير الرمز م إلى المسافة الواقعة بين مركزيّ الكتلتين المستخدمتين في حساب قيمة القوة، وتكون هذه المسافة مربّعة بالقانون.

نظرية آينشتاين للجاذبية

أسهم العالم ألبرت آينشتاين الحاصل على جائزة نوبل في الفيزياء في عام 1921م في المشاركة بنظرية بديلة للجاذبية في القرن التاسع عشر ميلادي، وقد كانت هذه النظرية جزءً من النظرية النسبية العامة وقد احتوت على تفسير مختلف جدًا لما جاء به قانون نيوتن في تعريف الجاذبية الأرضية، حيث لم يصدّق العالم آينشتاين بأنّ الجاذبيّة هي قوّة، وأشار إليها بأنّها انحناء في الزمكان والذي يُطلق عليه البُعد الرابع، وفيما يأتي الفرق بين الفيزياء الأساسية ونظرية آينشتاين:^[٥]

الفيزياء الأساسية

تُشير الفيزياء الأساسية إلى أنّ عدم وجود قوّة خارجيّة مؤثّرة أثناء العمل سيؤدّي إلى سفر الجسم بأكثر خط مستقيم، ووفقًا لذلك سيسافر أي جسمان موجودان في مسارات متوازية بشكلٍ متوازٍ دائمًا؛ أي أنّهما لن يتقابلا أبدًا، على الرّغم من أنهما يتقابلان في الحقيقة؛ حيث تنتهي الأجسام المارّة بمسارات متوازية بالتصادم في بعض الأوقات، ويفسّر العالم نيوتن حدوث هذا الفعل بسبب الجاذبيّة؛ حيث تسهم هذه القوّة بجذب الأجسام إلى بعضها البعض أو لجسمٍ ثالثٍ.

نظرية آينشتاين

بالنسبة للعالم آينشتاين فإنّ الجسمين المسافرين سيُحافظان على البقاء في أكثر الخطوط استقامة إلّا أنّ هذين المسارين ستحوّلان إلى مسارات كرويّة الشّكل بسبب حدوث انحناء في الزمكان، ففي حالة تحرّك جسمان على مستوى مسطّح في السابق فإنّهما سيتحرّكان لاحقًا في مستوى كرويّ الشكل وسينتهي المساران المستقيمان بالقرب من المسارات الكرويّة في نقطة معيّنة، ويكمن الفرق بين نظرية آينشتاين لتعريف الجاذبية الأرضية أو الجاذبية بشكلٍ عامٍ ونظرية نيوتن في الفيزياء الأساسيّة بأنّه لا يُعامل الجاذبيّة على أنّها قوّة بل انحناء في الزّمكان يؤدّي لحدوث هذا التصادم.

آثار الجاذبية الأرضية

بالإضافة لتأثير الجاذبيّة الكونيّة على جميع الأجسام الموجودة في الكون كبناء عدد كبير من الأجسام الكونيّة فإنّها تؤثّر في الأجسام التي تُوجد داخل الكواكب والنّجوم أيضًا وبما فيها كوكب الأرض، حيث تعود بالعديد من الآثار على الكوكب والكائنات الحيّة، وفيما يأتي ذكر للآثار الإيجابيّة والسلبيّة للجاذبيّة الأرضية:^[٦]

الآثار الإيجابية للجاذبية الأرضية

يُوجد العديد من الآثار الإيجابيّة للجاذبيّة الأرضيّة؛ حيث تلعب هذه القوّة دورًا مهمًا ورئيسًا في حياة الإنسان ووجوده؛ كما أنّها من أساسيات وجود الحياة بأنواعها المختلفة على سطح كوكب الأرض ولا يمكن استمرار الحياة بدونها، وفيما يأتي ذكر لبعض الآثار الإيجابيّة للجاذبيّة الأرضية:

• تُحافظ هذه القوّة الثابتة على بقاء الأجسام في مكانها.
• تحافظ على بقاء الإنسان والكائنات الحيّة الأخرى على سطح كوكب الأرض.
• تسمح لكوكب الأرض بالمحافظة على غلافها الجويّ.
• تُخزّن طاقتها على شكل طاقة جهد تسمح باستغلال الموارد كالسدود المائيّة.
• تُحافظ على عمل العضلات والعظام.
• تسمح بهطول الأمطار على الأرض.
• تعزز التناضج في النباتات.
• تعزز إنتاج الكالسيوم.
• تُطلق النّار في اتجاه يُمكن توقّعه مسبقًا.
• تسهم في إدارة تدفّق السائل.

الآثار السلبية للجاذبية الأرضية

يُشير تعريف الجاذبية الأرضية إلى أنّها من المكوّنات الأساسية لكوكب الأرض والكون بأكمله ولا يُمكن استمرار الحياة أو ظهورها بدون وجودها، ولكن على الرّغم من تعدد الآثار الإيجابيّة للجاذبيّة الأرضية إلّا أنّها قد تصحب بعض الآثار السلبية، وفيما يأتي التأثير السلبي للجاذبية الأرضية:

• تسهم في إبقاء الإنسان على كوكب الأرض؛ وبالتّالي يكون من الصّعب السّفر إلى الفضاء الخارجي بسهولةٍ وبتكلفةٍ ماديّةٍ قليلةٍ.
• تجعل سقوط الإنسان على الأرض وإيذاء نفسه أمرًا ممكنًا.
• تحد من ارتفاع المباني التي يُمكن بناؤها.
• تسمح بجذب الأجسام الصخريّة الضخمة أو الأجرام السماويّة التي تؤدّي لآثار كارثيّة في حالة دخولها في الغلاف الجويّ.
• تجعل صناعة السيارات الجويّة أمرًا صعبًا.
• تؤثّر على الهيكل العظمي خاصّةً مع تقدّم العمر.

عوامل الجاذبية الأرضية

يُمكن استخدام تعريف الجاذبية الأرضية للتمكّن من معرفة بعض العوامل التي تعتمد عليها والتي تؤثّر بها؛ حيث يُعدّ كل من كتلة الجسم والمسافة بين مركزيّ الأجسام بالإضافة إلى شكلها من العوامل الرئيسة التي يعتمد عليها مقدار الجاذبية الأرضية وقيمتها،^[٧] وفي ما يأتي شرح لتأثير بعض العوامل بالجاذبية الأرضية:

العلاقة بين الجاذبية والارتفاع

تتغيّر قيمة الجاذبيّة الأرضية بالاعتماد على الارتفاع؛ حيث إنّها تتناسب مع العلاقة 1/نق^2؛ ويُشير الرّمز "نق" إلى المسافة من مركز الأرض، وكلّما زادت قيمة نصف القطر من مركز الأرض ستقل قيمة الجاذبية الأرضيّة؛ أي ستنخفض قيمة الجاذبيّة الأرضية مع الارتفاع، فعلى سبيل المثال ستكون قيمة الجاذبية الأرضية التي تجذب طائرة ما تطير على ارتفاع 40 كيلومتر من سطح الأرض أقل من قيمة الجاذبية الأرضية على الارتفاعات الأقل من ذلك.^[٨]

العلاقة بين الجاذبية والمسافة

يُشير تعريف الجاذبية الأرضية إلى العلاقة التي تربط بين قيمتها وكل من كتلة الأجسام المتجاذبة والمسافة الواقعة بينها؛ حيث تتناسب قيمة قوّة الجاذبية تناسبًا عكسيًا مع مربّع المسافة الواقعة بين الجسمين المنجذبين لبعضهما البعض؛ فعلى سبيل المثال في حالة زيادة المسافة الواقعة بين الجسمين ستقل قيمة قوّة الجذب بينهما، أمّا في حالة تقليل المسافة الواقعة بينهما ستزداد قيمة قوّة الجذب.^[٩]

العلاقة بين الجاذبية والكتلة

يدل تعريف الجاذبية الأرضية باستخدام القانون الفيزيائيّ على علاقتها مع الكتلة أيضًا؛ حيث تتناسب كتل الأجسام المختلفة تناسبًا طرديًا مع قيمة قوّة الجاذبيّة، فعندما تزداد كتلة الأجسام تزداد قيمة هذه القوّة، وفي حالة مُضاعفة قيمة كتلة أحد الأجسام المتجاذبة ستتضاعف قيمة قوّة الجذب بينهما أيضًا، وفي حالة مضاعفة كتلة كل من الجسمين المتجاذبين ستزداد قيمة الجاذبية بينهما بمقدار 4 أضعاف.^[٩]

كيفية حساب قوة الجاذبية بين الأجسام

تُعدّ الجاذبيّة أحد أنواع القوى الأساسيّة في الفيزياء، وبالإضافة لأهمية تعريف الجاذبية الأرضية بشكلٍ خاصٍ إلّا أنّها تُعد كونيّة، ونظرًا لأهميّة هذه القوّة في حياتنا فإنّ حساب قيمتها بالتحديد يُعد من الأمور المهمة في الفيزياء؛ وفيما يأتي خطوات حساب قيمة الجاذبية بين جسم تبلغ كتلته 68 كيلوغرام والأرض مع العلم أن كتلة الأرض تساوي 5.98*10^24 كيلوغرام وقيمة ثابت الجاذبية 6.673*10^-11:^[١٠]

• استخدام تعريف الجاذبية الأرضية أو الجاذبية الكونية الفيزيائي، وهو المعادلة الرياضية المذكورة سابقًا: قوة الجاذبية = "ج*ك1*ك2"/"م^2".
• استخدام نظام الوحدات المتري؛ أي يجب أن تكون وحدة الكتلة هي الكيلوغرام ووحدة المسافة هي المتر.
• قياس قيمة الكتل للأجسام، ويُمكن قياس قيمة الكتل الصغيرة بوحدة الغرام، وفي المثال السابق ك1=68 كيلوغرام، وك2= 5.98*10^24 كيلوغرام.
• قياس المسافة الواقعة بين الكتل المتجاذبة، وفي المثال السابق ينبغي حساب قيمة قوّة الجاذبية بين جسم ما والأرض؛ وبالتّالي فإنّ المسافة ستحدد ببُعد الجسم عن مركز الأرض؛ حيث تبلغ المسافة التقريبيّة بين سطح الأرض ومركزها 6.38*10^6 متر.
• وضع المتغيّرات السابقة في مكانها المحدد من المعادلة الرياضيّة وإيجاد النّاتج كما يأتي؛ قوّة الجاذبيّة ="6.673*10^-11*68* 5.98*10^24" / " 6.38*10^6"، ويبلغ النّاتج في هذا المثال 665 نيوتن.

وحدة الجاذبية

يجب الإشارة إلى وحدة الجاذبية عند تعريف الجاذبية الأرضية باستخدام القانون الرياضي وحساب مقدارها، وبما أنّها تُعدّ إحدى القوى الأساسيّة في الكون فإنّه من الممُكن قياس قوّة تأثيرها، ويُمكن الاستدلال على وحدتها باستخدام قانون نيوتن الأساسيّ لقياس القوّة وهو القوة=الكتلة*التسارع، وفي هذه الحالة يُمكن تحديد وحدة الجاذبية عن طريق ذكر الوحدة الخاصّة بكل متغيّر من المتغيّرات المذكورة في المعادلة السابقة؛ حيث إنّ وحدة قياس الكتلة هي الكيلو غرام، أمّا وحدة قياس التّسارع فهي متر لكل ثانية مربّعة؛ وفي حالة تطبيق هذه الوحدات بالمعادلة ستُصبح وحدة الجاذبية "كيلوغرام"*"متر/ثانية^2" ويُشار إليها بوحدة النيوتن.^[١١]

المراجع

1. ↑ "Gravity", www.britannica.com, Retrieved 24-09-2019. Edited.
2. ↑ "What is Earth's gravity?", www.quora.com, Retrieved 24-09-2019. Edited.
3. ↑ "Gravitational Field: Definition & Formula", study.com, Retrieved 26-09-2019. Edited.
4. ↑ "Was Galileo Wrong?", science.nasa.gov, Retrieved 26-09-2019. Edited.
5. ^ ^{أ ب} "How does gravity work?", science.howstuffworks.com, Retrieved 25-09-2019. Edited.
6. ↑ "What are the advantages and disadvantages of gravity?", www.quora.com, Retrieved 25-09-2019. Edited.
7. ↑ "What are some common factors that affect gravity?", www.quora.com, Retrieved 26-09-2019. Edited.
8. ↑ "How does gravity decreases with increase in altitude?", www.quora.com, Retrieved 25-09-2019. Edited.
9. ^ ^{أ ب} "What is the relationship between gravity and height?", www.quora.com, Retrieved 25-09-2019. Edited.
10. ↑ "How to Calculate Force of Gravity", www.wikihow.com, Retrieved 25-09-2019. Edited.
11. ↑ "Does gravity have units?", www.quora.com, Retrieved 26-09-2019. Edited.