قد يواجه طالب الفيزياء الجاذبية في الفيزياء بطريقتين مختلفتين: مثل التسارع الناتج عن الجاذبية على الأرض أو الأجرام السماوية الأخرى ، أو كقوة جذب بين أي جسمين في كون. في الواقع ، الجاذبية هي إحدى القوى الأساسية في الطبيعة.
طور السير إسحاق نيوتن قوانين لوصف كليهما. قانون نيوتن الثاني (Fصافي = أماه) ينطبق على أي قوة صافية تؤثر على جسم ، بما في ذلك قوة الجاذبية التي تتعرض لها في مكان أي جسم كبير ، مثل كوكب. 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 النيوتونيةFصافي = أماه، أينFصافيهي قوة الجاذبية في نيوتن (N) ،مهو الكتلة بالكيلوغرام (كجم) وأهو التسارع بسبب الجاذبية في م / ث2.
أي كائنات داخل مجال الجاذبية ، مثل جميع الصخور على المريخ ، تعاني من نفس الشيءالتسارع باتجاه مركز المجال يتصرفون على جماهيرهم.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.
قوة الجاذبيةهووزنه في الفيزياء ، على الرغم من أنه غالبًا ما يستخدم الوزن العامية بشكل مختلف.
التسارع الناتج عن الجاذبية
قانون نيوتن الثاني ،Fصافي = أماه، يظهر أن أصافي القوةيتسبب في تسريع الكتلة. إذا كانت القوة الكلية 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 متغيرًا خاصًا به:ز. "ليتل ز" ، مثلزغالبًا ما يطلق عليه دائمًا قيمة ثابتة تبلغ 9.8 م / ث2. (تميِّز عبارة "ليتل جي" هذا الثابت عن ثابت جاذبية مهم آخر ،جي، أو "G الكبيرة ،" التي تنطبق على القانون العالمي للجاذبية.) أي جسم يسقط بالقرب من سطح الأرض سوف تسقط نحو مركز الأرض بمعدل متزايد باستمرار ، كل ثانية أسرع بمقدار 9.8 م / ث من الثانية السابقة.
على الأرض ، قوة الجاذبية على جسم ذي كتلةمهو:
F_ {grav} = mg
مثال مع الجاذبية
يصل رواد الفضاء إلى كوكب بعيد ويجدون أن رفع الأجسام هناك يتطلب ثمانية أضعاف القوة التي يحتاجها على الأرض. ما هي عجلة الجاذبية على هذا الكوكب؟
قوة الجاذبية على هذا الكوكب أكبر بثماني مرات. نظرًا لأن كتل الأشياء هي خاصية أساسية لتلك الأشياء ، فلا يمكن تغييرها ، وهذا يعني قيمةزيجب أن يكون أكبر بثماني مرات أيضًا:
8F_ {grav} = م (8 جم)
قيمة الزعلى الأرض 9.8 م / ث2، لذلك 8 × 9.8 م / ث2 = 78.4 م / ث2.
قانون نيوتن العالمي 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 الثقالي بين الكواكب كلما اقتربت وأبعد عن بعضها البعض كانت تلعب دورًا في حركة الكواكب. كانت هذه الكواكب في الواقع في حالة سقوط حر. لقد حدد هذا الجاذبية في بلدهالقانون العالمي للجاذبية:
F_ {grav} = G \ frac {m_1m_2} {r ^ 2}
أينFجراف مرة أخرى هي قوة الجاذبية في نيوتن (N) ،م1وم2هي كتل الجسمين الأول والثاني ، على التوالي ، بالكيلوجرام (كجم) (على سبيل المثال ، كتلة الأرض وكتلة الجسم بالقرب من الأرض) ، ود2هو مربع المسافة بينهما بالمتر (م).
المتغيرجي، يسمى "G الكبير" ، هو ثابت الجاذبية العالمي. هو - هيلها نفس القيمة في كل مكان في الكون. لم يكتشف نيوتن قيمة G (وجدها هنري كافنديش تجريبيًا بعد وفاة نيوتن) ، لكنه وجد تناسب القوة مع الكتلة والمسافة بدونها.
تُظهر المعادلة علاقتين مهمتين:
- وكلما زاد حجم أيٍّ من الجسمين ، زاد الجذب. إذا كان القمر فجأةضعف الكتلةكما هي الآن ، فإن قوة التجاذب بين الأرض والقمر ستفعلمزدوج.
- كلما اقتربت الأشياء ، زاد جاذبيتها. لأن الجماهير مرتبطة بالمسافة بينهماتربيع، قوة الجاذبيةأربع مراتفي كل مرة تكون الأشياءمرتين أقرب. إذا كان القمر فجأةنصف المسافةبالنسبة للأرض كما هي الآن ، ستكون قوة الجذب بين الأرض والقمرأربع مرات أكبر.
تُعرف نظرية نيوتن أيضًا باسمقانون التربيع العكسيبسبب النقطة الثانية أعلاه. إنه يفسر سبب تساقط التجاذب الثقالي بين جسمين بسرعة أثناء انفصالهما ، بسرعة أكبر بكثير مما لو حدث تغيير في كتلة أحدهما أو كليهما.
مثال على قانون نيوتن العالمي للجاذبية
ما هي قوة التجاذب بين مذنب وزنه 8000 كجم ويبعد 70000 م عن مذنب 200 كجم؟
\ start {align} F_ {grav} & = 6.674 × 10 ^ {- 11} \ frac {m ^ 3} {kgs ^ 2} (\ dfrac {8،000 kg × 200 kg} {70،000 ^ 2}) \\ & = 2.18 × 10 ^ {- 14} \ نهاية {محاذاة}
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.
وفقا لأينشتاين ، الجاذبية هي تشويهوقت فراغ، نسيج الكون نفسه. مساحة الالتواء الجماعي ، مثل كرة البولينج تخلق فجوة على ملاءة السرير ، وتشوه الأجسام الأكثر ضخامة مثل النجوم أو الثقوب السوداء الفضاء مع التأثيرات التي يمكن ملاحظتها بسهولة في التلسكوب - انحناء الضوء أو التغيير في حركة الأجسام القريبة من تلك الكتل.
اشتهرت نظرية أينشتاين للنسبية العامة من خلال شرح سبب وجود كوكب عطارد ، الكوكب الصغير الأقرب بالنسبة للشمس في نظامنا الشمسي ، لها مدار بفارق 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 هو ملحوظة في معظم الأحيان فقط على المقاييس "النسبية" - النظر إلى الأجسام الضخمة للغاية في الكون ، أو بالقرب من الضوء سرعات. لذلك تظل قوانين نيوتن مفيدة وذات صلة اليوم في وصف العديد من مواقف العالم الحقيقي التي من المحتمل أن يواجهها الإنسان العادي.
الجاذبية مهمة
الجزء "العالمي" من قانون الجاذبية العالمي لنيوتن 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.
بالنظر إلى مدى أهمية الجاذبية في الوصفكيف تتفاعل كل مادة، والتعريفات العامية الإنجليزية لـالجاذبية(وفقًا لأوكسفورد: "أهمية قصوى أو مقلقة ؛ جدية ") أوالجاذبية("الكرامة أو الجدية أو الجدية في 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؟