ماذا نعرف عن الوزن وانعدامه؟

ما هو مفهوم الوزن؟

الوزن هو قوة الجاذبية للجاذبية على جسم ما، ناتجة عن وجود جسم ثانٍ ضخم، مثل الأرض أو القمر، إذ أن الوزن هو نتيجة لقانون الجاذبية العالمي: أي جسمين، بسبب كتلتهما، يجتذبان بعضهما البعض بقوة تتناسب طرديًا مع ناتج كتلتهما وتتناسب عكسًا مع مربع المسافة بينهما.

وبالتالي، فإن الأجسام الأكثر ضخامة، بالطبع تزن أكثر في نفس الموقع؛ حيث كلما ابتعد الجسم عن الأرض، كان وزنه أصغر، وزن جسم في القطب الجنوبي للأرض أكبر قليلاً من وزنه عند خط الاستواء لأن نصف القطر القطبي للأرض أقل قليلاً من نصف قطر خط الاستواء.

على الرغم من أن كتلة الجسم تظل ثابتة، إلا أن وزنها يختلف باختلاف موقعها، حيث تتحد الكتلة الأصغر للقمر ونصف قطره مقارنة بتلك الموجودة على الأرض لتكوين نفس الجسم الموجود على سطح القمر يزن سدس قيمة وزنه على الأرض.

ونظراً لأن كل الكتلة الموجودة في الكون، فإن لكل نقطة في الفضاء خاصية تسمى مجال الجاذبية عند تلك النقطة، وهي مساوية عدديًا لتسارع الجاذبية في تلك النقطة، بدلاً من ذلك الوزن هو نتاج كتلة الجسم وإما مجال الجاذبية أو تسارع الجاذبية عند النقطة التي يقع فيها الجسم.

الوزن والكتلة:

يمكن قياس وزن الجسم باستخدام القوة المتساوية والمعاكسة اللازمة لمنع التسارع الهابط؛ هذا هو Mg، إن الجسم نفسه الموضوع على سطح القمر له نفس الكتلة، ولكن بما أن كتلة القمر تبلغ حوالي 1/81 مرة من كتلة الأرض ونصف قطرها 0.27 فقط من الأرض، فإن الجسم الموجود على سطح القمر له كتلة وزنها 1/6 فقط من وزن الأرض، كما أوضح رواد فضاء برنامج أبولو.

الركاب والأدوات الموجودة في الأقمار الصناعية التي تدور في مدار في حالة سقوط حر، إنهم يعانون من ظروف انعدام الوزن على الرغم من أن كتلهم تظل كما هي على الأرض، كما يمكن استخدام المعادلات لاشتقاق قانون كبلر الثالث في حالة المدارات الكوكبية الدائرية. باستخدام التعبير عن العجلة A في المعادلة لقوة الجاذبية لكوكب GM_PM_S / R² مقسومة على كتلة الكوكب M_P ، يتم الحصول على المعادلة التالية، حيث M_S هي كتلة الشمس:R³=(GM_S/4π²)T²

يعتمد قانون كبلر الثاني المهم جدًا فقط على حقيقة أن القوة بين جسدين على طول الخط الذي يربط بينهما، وهكذا كان نيوتن قادرًا على إظهار أن جميع قوانين كبلر الثلاثة المشتقة بالملاحظة تتبع رياضيًا من افتراض قوانينه الخاصة للحركة والجاذبية.

في جميع ملاحظات حركة جرم سماوي، يمكن إيجاد ناتج G والكتلة فقط، حيث قدر نيوتن لأول مرة حجم G بافتراض أن متوسط ​​كثافة كتلة الأرض يبلغ حوالي 5.5 أضعاف كثافة الماء (أكبر إلى حد ما من كثافة الصخور السطحية للأرض) وبحساب كتلة الأرض من هذا بعد ذلك، بأخذ M_E و r_E ككتلة الأرض ونصف قطرها، على التوالي كانت قيمة gr_E² /M_E =G

التي تقترب عدديًا من القيمة المقبولة البالغة 6.6726 × 10 × 11 م ³ ث ^{− 2} كجم ^-1 ، والتي تم قياسها أولاً مباشرة بواسطة هنري كافنديش، وبمقارنة المعادلة لتسريع سطح الأرض g مع نسبة R³ / T² للكواكب، تم الحصول على صيغة لنسبة كتلة الشمس M_S إلى كتلة الأرض M_E من حيث الكميات المعروفة، R_E هو نصف قطر مدار الأرض: M_E/M_S

تخضع حركات أقمار المشتري (التي اكتشفها جاليليو) حول المشتري لقوانين كبلر تمامًا كما تفعل الكواكب حول الشمس وهكذا، حسب نيوتن أن كوكب المشتري، الذي يبلغ نصف قطره 11 مرة أكبر من الأرض، كان 318 مرة أكبر من الأرض، ولكن 1/4 فقط من كثافته.

انعدام الوزن:

حالة يتم التعرض لها أثناء السقوط الحر، حيث يتم إلغاء تأثير الجاذبية بواسطة القوة بالقصور الذاتي (على سبيل المثال، الطرد المركزي) الناتجة عن الرحلة المدارية، وغالبًا ما يستخدم مصطلح انعدام الجاذبية لوصف مثل هذه الحالة، باستثناء رحلات الفضاء، يمكن تجربة انعدام الوزن الحقيقي لفترة وجيزة فقط، كما هو الحال في طائرة تتبع مسارًا باليستيًا (أي، مكافئ).

تتعرض أطقم المركبات الفضائية لمشاكل انعدام الوزن، ولقد عُلم من البعثات السوفيتية والأمريكية المبكرة أن هناك انخفاضًا في معدلات القلب والتنفس وفقدانًا تدريجيًا لوزن الجسم وكالسيوم العظام أثناء الرحلات الجوية القصيرة نسبيًا.

ومع ذلك، يحدث انعكاس لمعظم هذه التأثيرات عند العودة إلى الأرض، وفي البعثات اللاحقة لفترات طويلة، مثل تلك التي تنطوي على محطتي الفضاء الأمريكية Skylab و Sayut السوفيتية، أجريت دراسات طبية حيوية واسعة النطاق، حيث أظهرت النتائج التي توصلوا إليها أن التمرين البدني الدوري باستخدام جهاز مصمم بشكل صحيح أمر ضروري للحفاظ على الصحة وأن جسم الإنسان يستغرق حوالي 40 يومًا للتكيف مع بيئة انعدام الجاذبية.

يشعر المرء بالضعف وفقدان الإحساس بالتوازن عند العودة إلى الأرض، حيث يكون التعافي من كل هذه الآثار سريعًا نسبيًا ويكاد يكتمل بعد أسبوع واحد أو نحو ذلك ومع ذلك، فإن أحد الأسباب الخطيرة للقلق هو فقدان الكالسيوم في العظام الذي يزداد مع طول مدة المهمة ولا يظهر أي علامة على التوقف.

تشير احتمالية حدوث تدهور لا يمكن إصلاحه في المهمات الفضائية المستقبلية طويلة الأمد إلى الحاجة إلى الجاذبية الاصطناعية، ويعد استخدام قوة الطرد المركزي في مركبة فضائية دوارة مصممة بشكل مناسب طريقة واضحة لمحاكاة الجاذبية.