ما هو قانون نيوتن للجاذبية؟

يحدد قانون نيوتن للجاذبية قوة الجاذبية بين جميع الأجسام التي تمتلك كتلة. يقدم فهم قانون الجاذبية، أحد القوى الأساسية للفيزياء، رؤى عميقة حول الطريقة التي يعمل بها كوننا.

قصة تفاحة نيوتن الشهيرة.

القصة الشهيرة التي توصل إليها إسحاق نيوتن بفكرة قانون الجاذبية من خلال سقوط تفاحة على رأسه ليست صحيحة، على الرغم من أنه بدأ بالفعل في التفكير في المشكلة في مزرعة والدته عندما رأى تفاحة تسقط من شجرة.

تساءل عما إذا كانت نفس القوة التي تعمل على التفاحة تعمل أيضًا على القمر. إذا كان الأمر كذلك، فلماذا سقطت التفاحة على الأرض وليس القمر؟

إلى جانب قوانين الحركة الثلاثة، حدد نيوتن أيضًا قانون الجاذبية الخاص به في كتابه عام 1687 (المبادئ الرياضية للفلسفة الطبيعية)، والذي يشار إليه عمومًا باسم Principia.

طور يوهانس كيبلر (الفيزيائي الألماني، 1571-1630) ثلاثة قوانين تحكم حركة الكواكب الخمسة المعروفة آنذاك. لم يكن لديه نموذج نظري للمبادئ التي تحكم هذه الحركة، بل حققها من خلال التجربة والخطأ على مدار دراسته.

كان عمل نيوتن، بعد ما يقرب من قرن من الزمان، هو أن يأخذ قوانين الحركة التي طورها وطبقها على حركة الكواكب لتطوير إطار رياضي صارم لهذه الحركة الكوكبية.

قوى الجاذبية.

توصل نيوتن في النهاية إلى استنتاج مفاده أن التفاحة والقمر تأثرتا بنفس القوة في الواقع. أطلق على هذه القوة الجاذبية (أو الجاذبية) بعد الكلمة اللاتينية gravitas والتي تترجم حرفياً إلى “ثقل” أو “وزن”.

في كتاب المبادئ، عرّف نيوتن قوة الجاذبية بالطريقة التالية (مترجمة من اللاتينية): “كل جسيم من مادة في الكون يجذب كل جسيم آخر بقوة تتناسب طرديا مع ناتج كتل الجسيمات وتتناسب عكسيا مع مربع المسافة بينهما.”

رياضياً، هذا يترجم إلى معادلة القوة:

Fg = G m1 m2 / r2

في هذه المعادلة، يتم تعريف الكميات على النحو التالي:

• Fg = قوة الجاذبية (عادةً بالنيوتن).

• G = ثابت الجاذبية، والذي يضيف المستوى المناسب من التناسب إلى المعادلة. تبلغ قيمة G 6.67259 x 10-11 N * m2 / kg2، على الرغم من أن القيمة ستتغير إذا تم استخدام وحدات أخرى.

• m1 & m2 = كتل الجسيمين (عادةً بالكيلوجرام).

• r = مسافة الخط المستقيم بين الجسيمين (عادةً بالأمتار).

تفسير المعادلة.

تعطينا هذه المعادلة مقدار القوة، وهي قوة جذب، وبالتالي فهي موجهة دائمًا نحو الجسيم الآخر. وفقًا لقانون نيوتن الثالث للحركة، هذه القوة دائمًا متساوية ومعاكسة.

تمنحنا قوانين نيوتن الثلاثة للحركة الأدوات اللازمة لتفسير الحركة التي تسببها القوة ونرى أن الجسيم ذي الكتلة الأقل (والذي قد يكون أو لا يكون الجسيم الأصغر، اعتمادًا على كثافته) سوف يتسارع أكثر من الجسيم الآخر.

هذا هو السبب في أن الأجسام الخفيفة تسقط على الأرض أسرع بكثير من سقوط الأرض تجاهها. ومع ذلك، فإن القوة المؤثرة على الجسم الخفيف والأرض متطابقة في الحجم، على الرغم من أنها لا تبدو بهذه الطريقة.

من المهم أيضًا ملاحظة أن القوة تتناسب عكسياً مع مربع المسافة بين الجسمين. مع تباعد الأجسام، تنخفض قوة الجاذبية بسرعة كبيرة.

في معظم المسافات، فقط الأجسام ذات الكتل العالية جدًا مثل الكواكب والنجوم والمجرات والثقوب السوداء لها أي تأثيرات جاذبية كبيرة.

إقرأ أيضاً… ما هي القوة في الفيزياء.

مركز الجاذبية.

في جسم يتكون من العديد من الجسيمات، يتفاعل كل جسيم مع كل جسيم من الجسم الآخر. نظرًا لأننا نعلم أن القوى (بما في ذلك الجاذبية) هي كميات متجهة، فيمكننا اعتبار هذه القوى على أنها تحتوي على مكونات في الاتجاهين المتوازيين والعمودي لكلا الجسمين.

في بعض الأجسام، مثل المجالات ذات الكثافة المنتظمة، ستلغي المكونات العمودية للقوة بعضها البعض، لذلك يمكننا التعامل مع الأشياء كما لو كانت جسيمات نقطية، فيما يتعلق بأنفسنا فقط بالقوة الكلية بينهما.

يكون مركز ثقل الجسم (الذي يتطابق عمومًا مع مركز كتلته) مفيدًا في هذه المواقف. نحن ننظر إلى الجاذبية ونجري الحسابات كما لو أن الكتلة الكاملة للجسم كانت مركزة في مركز الجاذبية.

في الأشكال البسيطة – الكرات، والأقراص الدائرية، واللوحات المستطيلة، والمكعبات، وما إلى ذلك – تقع هذه النقطة في المركز الهندسي للكائن.

يمكن تطبيق هذا النموذج المثالي لتفاعل الجاذبية في معظم التطبيقات العملية، على الرغم من أنه في بعض المواقف الباطنية مثل مجال الجاذبية غير المنتظم، قد يكون من الضروري معرفته من أجل الدقة.

طاقة الجاذبية الكامنة على الأرض.

على الأرض، نظرًا لأننا نعرف الكميات المعنية، يمكن اختزال طاقة الجاذبية الكامنة U إلى معادلة من حيث الكتلة m للجسم، وتسارع الجاذبية (g = 9.8 m / s)، والمسافة y أعلاه أصل الإحداثيات (بشكل عام الأرض في مشكلة الجاذبية).

تنتج هذه المعادلة المبسطة طاقة وضع الجاذبية لـ:

U = m g y

هناك بعض التفاصيل الأخرى لتطبيق الجاذبية على الأرض، ولكن هذه هي الحقيقة ذات الصلة فيما يتعلق بالطاقة الكامنة للجاذبية.

لاحظ أنه إذا زاد حجم r (زاد ارتفاع الجسم)، فإن طاقة الجاذبية الكامنة تزداد (أو تصبح أقل سالبة). إذا تحرك الجسم إلى الأسفل، فإنه يقترب من الأرض، وبالتالي تنخفض طاقة الجاذبية الكامنة (تصبح أكثر سلبية). عند اختلاف لا نهائي، تذهب طاقة وضع الجاذبية إلى الصفر.

بشكل عام، نحن نهتم فقط بالاختلاف في الطاقة الكامنة عندما يتحرك جسم في مجال الجاذبية، لذا فإن هذه القيمة السالبة ليست مصدر قلق.

يتم تطبيق هذه الصيغة في حسابات الطاقة داخل مجال الجاذبية. كشكل من أشكال الطاقة، تخضع طاقة الجاذبية الكامنة لقانون حفظ الطاقة.

إقرأ أيضاً… ما هي أشكال الطاقة؟ مع أمثلة عليها.

الجاذبية ونظرية النسبية العامة.

عندما قدم نيوتن نظريته في الجاذبية، لم يكن لديه آلية لكيفية عمل القوة. رسمت الأجسام بعضها البعض عبر مساحات عملاقة من الفضاء الفارغ، والتي بدت وكأنها تتعارض مع كل ما يتوقعه العلماء.

سوف يمر أكثر من قرنين قبل أن يشرح الإطار النظري بشكل كاف سبب نجاح نظرية نيوتن بالفعل. في نظريته عن النسبية العامة، أوضح ألبرت أينشتاين أن الجاذبية هي انحناء الزمكان حول أي كتلة.

تسببت الأجسام ذات الكتلة الأكبر في حدوث انحناء أكبر، وبالتالي أظهرت قوة جاذبية أكبر.

وقد تم دعم ذلك من خلال الأبحاث التي أظهرت منحنيات الضوء فعليًا حول الأجسام الضخمة مثل الشمس، والتي ستتنبأ بها النظرية لأن الفضاء نفسه ينحني عند تلك النقطة وسيتبع الضوء أبسط مسار عبر الفضاء. هناك تفاصيل أكبر للنظرية، لكن هذه هي النقطة الرئيسية.

الجاذبية الكمومية.

تحاول الجهود الحالية في فيزياء الكم توحيد جميع القوى الأساسية للفيزياء في قوة واحدة موحدة تتجلى بطرق مختلفة. حتى الآن، تثبت الجاذبية أنها أكبر عقبة يجب دمجها في النظرية الموحدة.

مثل هذه النظرية للجاذبية الكمومية ستوحد أخيرًا النسبية العامة مع ميكانيكا الكم في رؤية واحدة، سلسة وأنيقة مفادها أن كل الطبيعة تعمل تحت نوع أساسي واحد من تفاعل الجسيمات.

في مجال الجاذبية الكمومية، يُفترض أن هناك جسيمًا افتراضيًا يسمى الجرافيتون يتوسط قوة الجاذبية لأن هذه هي الطريقة التي تعمل بها القوى الأساسية الثلاثة الأخرى. ومع ذلك، لم تتم ملاحظة الجرافيتون بشكل تجريبي.

تطبيقات الجاذبية.

لقد تناولت هذه المقالة المبادئ الأساسية للجاذبية. يعد دمج الجاذبية في حسابات علم الحركة والميكانيكا أمرًا سهلاً للغاية، بمجرد أن تفهم كيفية تفسير الجاذبية على سطح الأرض.

كان الهدف الرئيسي لنيوتن هو شرح حركة الكواكب. كما ذكرنا سابقًا، ابتكر يوهانس كبلر ثلاثة قوانين لحركة الكواكب دون استخدام قانون نيوتن للجاذبية.

لقد اتضح أنها متسقة تمامًا ويمكن للمرء إثبات جميع قوانين كبلر من خلال تطبيق نظرية نيوتن للجاذبية العامة.