تعريف الجاذبيّة
تعرف الجاذبية (بالإنجليزية: gravity or gravitation) بأنها قوة الجذب الكونية التي تنشأ بين جميع أجزاء المادة، أو بعبارةٍ أخرى فإنها قوة الجذب التي تنشأ بين أي جسمين، إذ إن جميع الأجسام في الكون تجذب بعضها بعضًا، فعلى سبيل المثال إذا قذفت كرة إلى أعلى فإنها ستصل إلى ارتفاع معين ومن ثم ستسقط بسبب تأثير قوة الجاذبية.
وبالرغم من ذلك إلا أن الجاذبية تُعد أضعف قوة معروفة في الطبيعية، إذ إنها لا تلعب دورًا هامًا في تحديد الخصائص الداخلية للمادة، إلا أنها تؤثر على الأجسام الموجودة في الفضاء الخارجي فتمنع سقوطها أو خروجها عن مسارها.
فأهميتها تنبع من كونها تتحكم في مسارات الأجسام في النظام الشمسي ، وفي أي مكان آخر في الكون، وتتحكم في تطور النجوم والمجرات والكون بأكمله، وتقاس الجاذبية بمقدار ما تمنحه من حرية للأجسام المتساقطة، فعلى سطح الأرض يقدر تسارع الجاذبية بـ 9.8 م/ث ² ، بينما على سطح القمر فيقدر بـ 1.6 م/ث ² .
أهميّة الجاذبيّة
تحتّل الجاذبيّة أهميّة كبيرة في الحياة، وذلك للأسباب الآتية:
- تعمل جاذبيّة الشّمس على إبقاء الأرض في مدارها، ممّا يُساعد على الحفاظ على مسافة مناسبة فيما بينهما، وبالتالي الاستمتاع بأشعة الشّمس بصورة مريحة.
- تُحافظ الجاذبيّة الأرضيّة على وجود الغلاف الجويّ المُحيط بالأرض، وهو ما يُبقي للكائنات الحية القدرة على التنفّس والحياة.
- تُحافظ الجاذبيّة على ربط العالم مع بعضه البعض.
- تعمل الجاذبية على الحفاظ على الأدوار الحيوية للأجساد وتوزيع السوائل في الجسم، لذلك يعاني رواد الفضاء من مشاكل في الدورة الدموية ومن الصداع.
- تعمل الجاذبية على تقوية الجهاز المناعي للجسم، فبانعدام الوزن تضعف العضلات بسبب قلة استخدامها، لذلك يتعين على رواد الفضاء ممارسة الرياضة كل يوم.
قوانين نيوتن في الجاذبية
ينص قانون نيوتن للجاذبية على أن أي جسمين في الكون يوجد بينهما قوة تجاذب تتناسب طرديًا مع حاصل ضرب كتلتيهما وعكسيًا مع مربع المسافة بينهما، وقد وضع نيوتن قانونًا للجاذبية عام 1687م واستخدمه في رصد حركات الكواكب وأقمارها، والصيغة الرياضية للقانون، هي:
قوة الجاذبية= حاصل ضرب كتلة الجسم الأول× كتلة الجسم الثاني× ثابت الجذب العام÷ مربع المسافة بين الجسمين
وبالرموز:
ق= ك1× ك2× ث/ ف²
وبالإنجليزية:
F= G×m1×m2/ r ²
حيث إن:
- ق (F): مقدار قوة الجاذبية، بوحدة النيوتن.
- ك1 (m1): كتلة الجسم الأول، بوحدة كغ.
- ك2 (m2): كتلة الجسم الثاني، بوحدة كغ.
- ث (G): ثابت الجذب العام، ويساوي 6.67408 × 10^-11 نيوتن.م ²/ كغ².
نظرية آينشتاين للجاذبية
رأى آينشتاين أن هناك تعارضًا بين نظرية نيوتن للجاذبية وبين النظرية النسبية ، فشرع في تطوير طريقة جديدة لفهم الجاذبية عن طريق النسبية، فلمّح آينشتاين إلى أن الجسم يسقط نحو الأرض بعجلة جاذبية مقدارها 9.8 م/ث ² بغض النظر عن كتلته ومتجاهلًا مقاومة الهواء أيضًا، وهذه الملاحظة قد أشير إليها في زمن نيوتن ولكنها لم تشع.
السمة الفريدة لوجهة نظر آينشتاين للجاذبية هي طبيعتها الهندسية، فنيوتن كان ينظر للجاذبية على أنها قوة، بينما آينشتاين أظهر أنّ الجاذبية تنشأ من شكل الزمكان ، وقد صنّف نيوتن الكتلة إلى نوعين: كتلة القصور الذاتي ، والكتلة التثاقلية (كتلة الجاذبية) وتلك هي التي اعتمد عليها في قانونه للجاذبية.
بينما أدرك آينشتاين شيئا أكثر عمقًا أثناء تجاربه، وهو أن الشخص الذي يقف في مصعد انقطع حبله وشرع في الهبوط نحو الأرض فإنه سيشعر بانعدام الوزن، وسبب ذلك أن كلًا من الشخص والمصعد يتسارعان بنفس المعدل وبالتالي يسقطان بنفس السرعة تمامًا، وقد عبر آينشتاين عن أفكاره هذه بمبدأ التكافؤ البسيط.
مفهوم مجال الجاذبية
مجال الجاذبية (بالإنجليزية: Gravitational Field)، ويعرّف بأنه مقدار قوة الجاذبية لكل وحدة كتلة والتي ستؤثر على كتلة أخرى أصغر حجمًا عند تلك النقطة، وهو كمية متجهة، ويشير باتجاه القوة التي ستشعر بها الكتلة، فبالنسبة لنقطة محددة من كتلة (ك) فإن مقدار قوة مجال الجاذبية الناتجة (ج) وعلى مسافة (ف) يتحدد من العلاقة الآتية:
مجال الجاذبية= ثابت الجذب العام × كتلة الجسم/ مربع المسافة
وبالرموز:
ج= ك × ث/ ف²
حيث إن:
- ج: مقدار مجال الجاذبية بوحدة م/ث ².
- ك: كتلة الجسم بوحدة كغ.
- ث: ثابت الجذب العام، ويساوي 6.67408 × 10^-11 نيوتن.م ²/ كغ².
- ف: المسافة بين المجال والجسم بوحدة المتر.
العلاقة بين الجاذبية والعوامل المؤثرة عليها
هناك بعض العوامل الرئيسية التي تؤثر على الجاذبية، مثل؛ الارتفاع، والكتلة، والمسافة، ويمكن فهم كل علاقة كالآتي:
العلاقة بين الجاذبية والارتفاع
توجد علاقة عكسية بين كل من الارتفاع والجاذبية، فكلما زاد الارتفاع عن سطح الأرض قلت الجاذبية، وكلما نقص الارتفاع زادت قيمة الجاذبية.
لذلك فإنه يُحتاج إلى السفر فوق سطح الأرض قبل اكتشاف حدوث أي تغيرات في الجاذبية، وذلك نظرًا لأن الأرض كبيرة جدًا، وكمثال على ذلك: فالصعود فوق قمة إيفرست تقلل من قيمة جاذبية الأرض بمقدار 0.25% عن قيمتها على سطح الأرض.
العلاقة بين الجاذبية والمسافة
تؤثر المسافة على مقدار قوة الجاذبية، فكلما زادت المسافة قلت قوة الجاذبية التي يبذلها كل جسم على الآخر، ومثال على ذلك:
إذا كان هناك جسم كتلته 80 كغ والجسم الآخر كتلته 100 كغ، والمسافة بينهما 6 م، فإن مقدار قوة الجاذبية بينهما هي:
ق= 1483×10^11- نيوتن
فإذا افتُرِضَ أن المسافة قلّت إلى 3 م فإن مقدار قوة الجاذبية سيزداد ويصبح:
ق= 53392.6 × 10^11- نيوتن
العلاقة بين الجاذبية والكتلة
وفقًا لقانون نيوتن فإنه كلما كبرت كتلة الأجسام فإن قوة الجاذبية التي يمارسها كل جسم على الآخر تزداد، أو بعبارة أخرى كلما زادت كتلة الجسم زادت قوة الجاذبية عليه، مثال على ذلك:
إذا كان هناك جسمان كتلة أحدهما 40 كغ والآخر كتلته 30 كغ والمسافة بينهما 2 م، فإن مقدار قوة الجاذبية هي:
ق= 2 ×10^8- نيوتن
فإذا افتراضَ أن كتلة الجسم الأول زادت لـ 80 والجسم الآخر لـ 60 فإن مقدار القوة ق يزداد ليصبح= 8×10^8- نيوتن.
