تعريف الجاذبية الأرضية وأهميتها

تعريف الجاذبية الأرضية

تشير الجاذبية الأرضية إلى أنها إحدى خصائص كوكب الأرض التي تعمل على جذب جميع الأجسام باتجاه مركزها نتيجة إلى كتلتها الضخمة، حيث أنّ هناك قوة جذب بين الأجسام وتتميز الجاذبية الأرضية بأنها تجذب جميع الأشياء باتجاهه بتسارع يبلغ 9.8 م/ث²، وتحدث الجاذبية الأرضية نتيجة لكتلة الأرض حيث أنها تجذب جميع الأجسام في الكون بالنسبة لكتلتها والعلاقة بين المربع العكسي للمسافة بين مراكزها، فهي تؤثر في الفضاء الخارجي فتمنع سقوط الأجسام وخروجها عن مسارها، كما يقدّر تسارع الجاذبية على سطح القمر 1.6 م/ث².[2]

أهميّة الجاذبيّة

إنّ للجاذبية الأرضية أهمية كبيرة جدًا، حيث تحترق الأجسام من الشمس ولا تستطيع البقاء والعيش على وجه الأرض، وفيما يلي سيتم بيان الأسباب وراء أهميتها:[3][4]

• تقوم الجاذبية بربط العالم مع بعضه البعض.
• تعد الجاذبية بأنها السبب في محافظة الكواكب على مدارها حول الشمس.
• يحدث المد والجزر في المحيط بسبب الجاذبية الموجودة بين القمر والأرض.
• تعمل الجاذبية على تقوية الجهاز المناعي للجسم، فعند انعدام الوزن تضعف العضلات بسبب قلة استخدامها، لذلك يتعين على رواد الفضاء ممارسة الرياضة كل يوم.
• تحافظ الجاذبية على الأدوار الحيوية للأجساد وتوزيع السوائل في الجسم، لذلك يعاني رواد الفضاء من الصداع ومشاكل في الدورة الدموية.
• تحافظ الجاذبية الأرضية على وجود الغلاف الجوي الذي يحيط بالأرض، فهو الذي يُبقي الكائنات الحية قادرة على التنفس والحياة.
• تعمل الجاذبية الأرضية على بقاء الأرض في مدارها، مما يساعد على الحفاظ على مسافة مناسبة فيما بينها والاستمتاع بأشعة الشمس.

تاريخ الجاذبيّة

يعد إسحاق نيوتن بأنه أول من اكتشف الجاذبية الأرضية وذلك في عام 1687، حيث تم اكتشاف الجاذبية الأرضية عندما كان يجلس أسفل شجرة التفاح فلاحظ سقوط التفاحة، وحاول بعد ذلك معرفة سبب سقوطها إلى الأسفل بدل من اتجاهها إلى اليمين أو اليسار أو حتى صعودها للأعلى، حيث أن هذا السبب يتمثل في قوة غير معروفة قامت بسحبه إلى الأسفل، كما أطلق عليها نيوتن بعد ذلك اسم الجاذبية وقام بتطوير نظرية قانون نيوتن للجاذبية الكونية، وبعد ذلك جاء ألبرت آينشتاين في القرن العشرين حيث قام بإعطاء فكرة جديدة عن الجاذبية وهي بأنها عبارة عن تزييف الزمان والمكان.[5]

وحدة الجاذبيّة

تعتبر الجاذبية الأرضية بأنها إحدى القوى الأساسية في الكون، حيث من الممكن قياس قوة تأثيرها والاستدلال على وحدتها من خلال قانون نيوتن الأساسي لقياس القوة وهو القوة=الكتلة * التسارع، لذا يمكن تحديد وحدة الجاذبية من خلال ذكر الوحدة الخاصة لكل متغير من المتغيرات المذكورة في المعادلة، كما أن وحدة قياس الكتلة هي الكيلوغرام، أما بالنسبة لقياس التسارع في وحدة متر لكل ثانية مربعة، فعندما يتم تطبيق الوحدات في المعادلة تصبح وحدة الجاذبية الأرضية كيلوغرام*متر/ثانية^2 حيث يشار إليها بوحدة نيوتن.[6]

 التسارع الزاوي لعجلات سيارة نصف قطرها 0.5m وتسارعها الخطي 6.5m/s2 يساوي

مفهوم مجال الجاذبية

يعرف مجال الجاذبية بأنه القوة التي توجد في الفراغ الموجود حول كتلة ما أو مجموعة من الكتل، كما يمتد المجال في جميع الاتجاهات ومقدارها يزيد ويقل اعتمادًا على المسافة بين الأجسام، حيث يقاس مجال الجاذبية بوحدة القوة لكل وحدة كتلة، كما أن في الغالب يتم استخدام وحدة نيوتن لكل كيلوغرام، ويتميز هذا المجال بأنه أحد أنواع مجالات القوة، حيث يتحدد من خلال العلاقة الآتية (مجال الجاذبية = ثابت الجذب العام × كتلة الجسم/ مربع المسافة)، كما يمكن توضيح مجال الجاذبية الموجودة حول الأجسام من خلال طريقتين وهما كالآتي:[7][8]

• الأسهم: إن الأسهم تشير إلى مقدار القوة واتجاهها في نقاط مختلفة بالفضاء، فكلما زاد طول السهم زاد مقدار القوة.
• خطوط المجال: إن خطوط المجال تشير إلى اتجاه القوة المؤثرة على جسم موجود في مكان معين في الفضاء، حيث يشار إلى مقدار المجال من خلال تباعد الخطوط فكلما اقتربت من بعضها البعض تزداد قيمة القوة.

 اذا دفعت صندوقا كتلته 20 كجم بقوة 40 نيوتن فما تسارع الصندوق؟

نظرية جاليليو للجاذبية

قام العالم جاليليو جاليلي برمي أشياء من أعلى برج بيزا المائل كالفضة والذهب والخشب والكرات، كما توقع أن تسقط الأجسام الثقيلة على الأرض بسرعة أكبر من الأجسام الخفيفة، إلى أن جميعها ضربت الأرض بنفس الوقت وبذلك اكتشف العالم أن الجاذبية تسهم في تسارع جميع الأجسام بنفس المعدل بالرغم من الكتلة أو المكونات، ثمّ بعد ذلك أُطلق على هذه النتيجة السقوط الحر أو مبدأ التكافؤ، كما يُعرف بأنه حجر الأساس للفيزياء الحديثة، حيث قام العالم ألبرت آينشتاين في وضع النظرية النسبية العامة مفترضًا صحة هذا المبدأ، كما أن النظريات الحديثة تقترح أن تسارع الجاذبية يعتمد على مكونات المواد الخاصة بالأجسام بشكل دقيق، وعند بيان صحة هذه المعلومات يتوجب إعادة النظر في النظرية النسبية.[9]

نظرية نيوتن للجاذبية

ظهر مفهوم الجاذبية الأرضية في عالم الرياضيات الإنجليزي إسحاق نيوتن في القرن السادس عشر، حيث أنها تدور حول جلوس العالم تحت أشجار التفاح وسقوط أحد ثمارها على رأسه، وهو الأمر الذي قاده للتفكير في سبب سقوطها إلى الأرض مباشرة، ثم بعد ذلك نشر نظريته الخاصة بالجاذبية الأرضية في الثمانينات من القرن السادس عشر.[5]

نص نظرية نيوتن للجاذبية

إن نظرية نيوتن توضح أن القوة يمكن ملاحظتها وتؤثر في جميع الأشياء الموجودة في الكون، كما أنها تقترن بين الكتلة والمسافة، حيث تشير النظرية إلى “أن كل جسيمات المواد تجذب بعضها البعض” ويقصد بالجسيمات كل الأجسام التي توجد على كوكب الأرض ولا التي توجد في الكائنات الحية، حيث يكون مقدار هذه القوة يتناسب طرديًا، وتتناسب عكسيًا مع مربع المسافة الواقعة بينهما، كما تبين انخفاض قيمة قوة الجاذبية بين الأجسام البعيدة عن بعضها والأجسام التي تحمل كتل صغيرة.[5]

قانون نيوتن في الجاذبية

يبين قانون نيوتن للجاذبية أن أي جسمين في الكون يوجد بينهما قوة تجاذب، حيث وضع نيوتن قانون الجاذبية في عام 1687 واستخدمه لرصد تحركات الكواكب وأقمارها، كما أن الصيغة الرياضية للقانون هي: (قوة الجاذبية= حاصل ضرب كتلة الجسم الأول× كتلة الجسم الثاني× ثابت الجذب العام÷ مربع المسافة بين الجسمين)، وبالرموز تكتب بالصورة الآتية: (ق= ك1× ك2× ث/ ف²)، حيث أن هذه الرموز يمكن توضيحها كالآتي:[5]

• ق: مقدار قوة الجاذبية، بوحدة النيوتن.
• ك1: كتلة الجسم الأول، بوحدة كغ.
• ك2: كتلة الجسم الثاني، بوحدة كغ.
• ث: ثابت الجذب العام، ويساوي 6.67408 × 10^-11 نيوتن.م²/ كغ².

شاهد أيضًا: ماذا يحدث عندما تؤثر قوة محصلة في جسم ؟

نظرية آينشتاين للجاذبية

حَصَل العالم ألبرت آينشتاين على جائزة نوبل في الفيزياء في عام 1921، فهو أسهم بالمشاركة بنظرية بديلة للجاذبية في القرن التاسع عشر حيث كانت جزء من النظرية النسبية العامة، كما أنها احتوت على تفسير مختلف لما جاء به قانون نيوتن في تعريف الجاذبية الأرضية، حيث أن آينشتاين لم يصدق بأن الجاذبية هي قوة وأشار إليها بأنها انحناء في الزمكان ويطلق عليه البعد الرابع، وفيما يلي سيتم بيان ما هو الفرق بين الفيزياء الأساسية ونظرية آينشتاين:[5]

الفيزياء الأساسية

تعرف الفيزياء الأساسية بأنها عدم وجود قوة خارجية مؤثرة أثناء العمل مما يؤدي إلى سفر الجسم بأكثر خط مستقيم، ووفقًا لهذا يسافر أي جسمين موجودين في مسارات متوازية بشكل متوازٍ دائما، فهم لا يتقابلا أبدًا على الرغم من أنه لا يتقابلان في الحقيقة، ولكن تنتهي الأجسام المارة  بمسارات متوازية في التصادم في بعض الأوقات، حيث يفسر نيوتن حدوث هذا الفعل بالجاذبية فهي تسهم في جذب الأجسام إلى بعضها البعض أو  في جسم ثالث.[5]

شاهد أيضًا: تباطؤ الجسم بسبب نقصان سرعته هو

نظرية آينشتاين

يوضح آينشتاين في نظريته بأن الجسمان المسافران يحافظان على البقاء في أكثر الخطوط استقامةً، إلى أن هذين الجسمين يتحولان إلى مسارات كروية الشكل بسبب حدوث انحناء في الزمكان، ويعني عندما يتحرك جسمان على مستوى مسطح لأنهما سيتحركان في مستوى كروي الشكل وينتهي المساران المستقيمان بالقرب من مسارات كروية في نقطة معينة، حيث أن الفرق بين نظرية آينشتاين لتعريف الجاذبية بشكل عام ونظرية نيوتن في الفيزياء الأساسية بأنه لا يعامل الجاذبية على أنها قوة بل هي انحناء الزمكان مما يؤدي إلى حدوث هذا التصادم.[5]

اعتمادا على القانون الثالث لنيوتن توجد القوى دائما في أزواج

العلاقة بين الجاذبية والعوامل المؤثرة عليها

يمكن استخدام مفهوم الجاذبية الأرضية لمعرفة بعض العوامل التي تعتمد عليها وتؤثر بها، حيث أن كلاً من كتلة الجسم والمسافة بين مركزي الأجسام وشكلها فهي العوامل الرئيسية التي يعتمد عليها مقدار الجاذبية الأرضية وقيمتها، وفيما يلي سيتم بيان تأثير العوامل على الجاذبية الأرضية:[10]

العلاقة بين الجاذبية والارتفاع

إن قيمة الجاذبية الأرضية تتغير بالاعتماد على الارتفاع، حيث أنها تتناسب مع العلاقة 1/نق^2 فإن0 الرمز (نق) يشير إلى المسافة من مركز الأرض، كما أن كل ما زادت قيمة نصف القطر من مركز الأرض تقل قيمة الجاذبية الأرضية أي أنها تنخفض مع الارتفاع، فعلى سبيل المثال ستكون قيمة الجاذبية الأرضية التي تجذب الطائرة تطير على ارتفاع 40 كيلو متر من سطح الأرض أقل من قيمة الجاذبية الأرضية على ارتفاع أقل من ذلك.[11]

العلاقة بين الجاذبية والمسافة

يبين تعريف الجاذبية الأرضية العلاقة التي تربط بين قيمتها وكل من كتلة الأجسام المتجاذبة والمسافة الواقعة بينها، حيث أن قيمة قوة الجاذبية تتناسب عكسيًا مع مربع المسافة الواقعة بين الجسمين المتجاذبين، فعلى سبيل المثال عند زيادة المسافة الواقعة بين الجسمين تقل قيمة قوة الجذب بينهما، أما عند تقليل المسافة الواقعة بينهما فإن قيمة قوة الجذب تزداد.[12]

العلاقة بين الجاذبية والكتلة

إن مفهوم الجاذبية الأرضية يدل على استخدام القانون الفيزيائي على علاقتها مع الكتلة، حيث أن كتلة الأجسام تتناسب طرديًا مع قيمة قوة الجاذبية، فعندما تزداد  كتلة الأجسام تزداد قيمة القوة، وعند مضاعفة قيمة كتلة أحد الأجسام المتجاذبة تتضاعف قيمة قوة الجذب بينهما، وعند مضاعفة كتلة كل من الجسمين المتجاذبين تزداد قيمة الجاذبية بمقدار أربعة أضعاف.[12]

آثار الجاذبية الأرضية

إن الجاذبية الأرضية تؤثر في جميع الأجسام التي توجد في الكون، كما أنها تؤثر على الأجسام التي توجد في الكواكب والنجوم، حيث أنها تعود بالعديد من الآثار على الكوكب والكائنات الحية، وفيما يلي سيتم بيان الآثار الإيجابية والسلبية لها:

الآثار الإيجابية للجاذبية الأرضية

هناك العديد من الآثار الإيجابية للجاذبية الأرضية حيث أن لها دورًا أساسيًا في حياة الإنسان وجوده، وتعتبر بأنها من أساسيات وجود الحياة على سطح كوكب الأرض ولا يمكن الاستمرار بدونها، ومن الآثار الإيجابية للجاذبية الأرضية ما يلي:[13]

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

الآثار السلبية للجاذبية الأرضية

تعرف الجاذبية الأرضية بأنها من المكونات الأساسية لكوكب الأرض، حيث لا يمكن استمرار الحياة دون وجودها، وعلى الرغم من تعدد الآثار الإيجابية لها إلى أنه قد يوجد بعض من الآثار السلبية، وفيما يلي سيتم بيان التأثير السلبي للجاذبية الأرضية:[13]

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

كيفية حساب قوة الجاذبية بين الأجسام

تعتبر الجاذبية بأنها أحد أنواع القوى الأساسية في الفيزياء، حيث أن لها أهمية بشكل خاص لأنها تعد كونية، بالإضافة لأهميتها في حياة الفرد حيث أن حساب قيمتها هي من الأمور المهمة في الفيزياء، وفيما يلي سيتم بيان كيفية حساب قيمة الجاذبية بين جسم تبلغ كتلته 68 كيلو غرام والأرض، مع العلم أن كتلة الأرض تساوي 5.98*10^24 كيلو غرام، وقيمة ثابت الجاذبية 6.673*10^-11: [14]

• استخدام تعريف الجاذبية الأرضية وهو المعادلة الرياضية الآتية: قوة الجاذبية = “ج*ك1*ك2″/”م^2”.
• استخدام نظام الوحدات المتري، حيث يتوجب أن تكون وحدة الكتلة هي الكيلوغرام ووحدة المسافة هي المتر.
• قياس قيمة الكتل للأجسام، كما يُمكن قياس قيمة الكتل الصغيرة بوحدة الغرام، وفي المثال السابق ك1=68 كيلوغراماً، وك 2= 5.98*10^24 كيلوغراماً.
• قياس المسافة الواقعة بين الكتل المتجاذبة، حيث ينبغي حساب قيمة قوّة الجاذبية بين جسم ما والأرض فإنّ المسافة ستحدد ببُعد الجسم عن مركز الأرض، حيث تبلغ المسافة التقريبيّة بين سطح الأرض ومركزها 6.38*10^6 أمتار.
• وضع المتغيّرات 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.

حقائق عن الجاذبية

تعرف الجاذبية بأنها أضعف القوى الأساسية التي تم معرفتها في الطبيعة، ومع ذلك فهي تعتبر بأنها من القوى المهيمنة التي تعمل على تماسك الكون والمجرات والأنظمة الشمسية، وفيما يلي سيتم بين بعض الحقائق عن الجاذبية الأرضية:[3][15]

• يعتبر الوزن الخاص بالفرد هو قوة التجاذب الموجودة بينه وبين الأرض.
• تبلغ قوة الجاذبية على كوكب المريخ ما يقارب 38% من جاذبية الأرض.
• تبلغ قوة الجاذبية على كوكب المشتري ما يقارب 2.5 ضعف جاذبية الأرض.
• تبلغ قوة الجاذبية على القمر ما يقارب من 16% من القوة التي توجد على الأرض.
• تعتبر الثقوب السوداء بأنها تتمتع بجاذبية قوية جدًا حتى الضوء لا يمكنه الهرب منها.
• تعتبر سرعة السقوط الحر سرعة ثابتة على سطح الأرض، وهو أن كل الأشياء التي تسقط يكون سقوطها بنفس السرعة ولقد تم حساب هذه السرعة على سطح الأرض لتكون 9.8 م/ث.
• يعتبر أفضل تقدير لثابت الجاذبية G في الوقت الحالي يساوي ما يقرب من 6.67259 × 10-11 نيوتن متر مربع لكل كيلوجرام مربع.
• تعتمد الجاذبية على حجم الجسم وكتلته، وكلما زادت الكتلة زادت الجاذبية.
• يستطيع أن يفلت أي جسم من قوة جاذبية الأرض إذا تحرك بسرعة 7 أميال في الثانية وهي سرعة الإفلات الخاصة بجاذبية الأرض .
• تعد قوة الجاذبية بأنها من القوى الأضعف في الطبيعة، حيث لا تقوم بلعب أي دور في تحديد الخصائص الداخلية للمادة اليومية.
• يعد إسقاط قضيب حديدي مع ريشة بأن كلاهما سوف يسقطان بنفس السرعة دون أي اختلاف، فالجاذبية لها نفس التأثير على جميع الأشياء مهما كانت مختلفة.

شاهد أيضًا: اسهامات نيوتن في الفيزياء

بحث عن الجاذبية الأرضية pdf

قد يرغبُ الكثير بقراءة البحث بصيغة pdf تسهيلاً لطباعته أو التعديل عليه وما إلى ذلك، حيث سيتم إدراج بحثًا شاملاً عن الجاذبية الأرضية فهو يحتيو على مقدمة بحث وخاتمة عن موضوع البحث، وتوضيح مفهوم الجاذبية الأرضية، وفوائدها وأضرارها، كما يمكنكم تحميل بحث عن الجاذبية الأرضية بصيغة pdf “من هنا“.