الجاذبية الأرضية

مفهوم الجاذبية الأرضية:

الجاذبية في الميكانيكا قوة الجذب العالمية التي تعمل بين كل المادة، إنها إلى حد بعيد أضعف قوة معروفة في الطبيعة، وبالتالي لا تلعب دورًا في تحديد الخصائص الداخلية للمادة اليومية، ومن ناحية أخرى، من خلال امتدادها الطويل وعملها العالمي، فإنها تتحكم في مسارات الأجسام في النظام الشمسي وأماكن أخرى في الكون والهياكل والنجوم والمجرات والكون بأسره.

 جميع الأجسام على الأرض لها وزن، أو قوة جاذبية سفلية، متناسبة مع كتلتها، والتي تمارسها كتلة الأرض عليها. تُقاس الجاذبية بالتسارع الذي تعطيه للأجسام المتساقطة بحرية، كما أن على سطح الأرض تسارع الجاذبية حوالي 9.8 متر (32 قدم) في الثانية في الثانية. وهكذا، في كل ثانية يسقط فيها جسم ما حرًا، تزداد سرعته بحوالي 9.8 مترًا في الثانية. على سطح القمر، تبلغ عجلة الجسم الساقط بحرية حوالي 1.6 متر في الثانية في الثانية

يمكن قياس الوزن W للجسم بالقوة المتساوية والمعاكسة اللازمة لمنع التسارع الهابط؛ هذا هو Mg. نفس الجسم 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 وزنه 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، حيث إنهم يعانون من ظروف انعدام الوزن على الرغم من أن كتلهم تظل كما هي على الأرض.

قوة الجاذبية:

كل جسم كوكبي (بما في ذلك الأرض) محاط بمجال الجاذبية الخاص به، والذي يمكن تصوره مع الفيزياء النيوتونية على أنها تمارس قوة جذابة على جميع الأجسام، بافتراض وجود كوكب متماثل كرويًا، فإن قوة هذا المجال في أي نقطة فوق السطح تتناسب طرديًا مع كتلة جسم الكوكب وتتناسب عكسًا مع مربع المسافة من مركز الجسم.

إذا كان جسم مع كتلة مماثلة لتلك الموجودة على الأرض سوف يسقط نحوه، فإن التسارع المقابل للأرض سيكون قابلاً للرصد، كما أن قوة مجال الجاذبية تساوي عدديًا تسارع الأجسام الواقعة تحت تأثيره.
معدل تسارع الأجسام المتساقطة بالقرب من سطح الأرض يختلف اختلافًا طفيفًا للغاية اعتمادًا على خطوط العرض، وخصائص السطح مثل الجبال والتلال، وربما الكثافات تحت السطحية العالية أو المنخفضة بشكل غير عادي، ولأغراض الأوزان والقياسات، يتم تحديد قيمة الجاذبية القياسية من قبل المكتب الدولي للأوزان والمقاييس، بموجب النظام الدولي للوحدات.

قوانين نيوتن في الجاذبية:

اكتشف نيوتن العلاقة بين حركة القمر وحركة الجسم الذي يسقط بحرية على الأرض. من خلال نظرياته الديناميكية والجاذبية، شرح قوانين كبلر وأسس العلم الكمي الحديث للجاذبية، كما افترض نيوتن وجود قوة جذب بين جميع الأجسام الضخمة، حيث أن هذه القوة لا تتطلب اتصالًا جسديًا وتعمل عن بعد.

من خلال التذرع بقانون القصور الذاتي (الأجسام التي لم تتأثر بقوة تتحرك بسرعة ثابتة في خط مستقيم)، خلص نيوتن إلى أن القوة التي تمارسها الأرض على القمر ضرورية لإبقائها في حركة دائرية حول الأرض بدلاً من التحرك في خط مستقيم، لقد أدرك أن هذه القوة يمكن أن تكون، على المدى البعيد، نفس القوة التي تسحب بها الأرض الأشياء على سطحها إلى أسفل.

 عندما اكتشف نيوتن أن تسارع القمر أصغر بمقدار 1/3600 من التسارع على سطح الأرض، ربط الرقم 3600 بمربع نصف قطر الأرض، وحسب أن الحركة المدارية الدائرية لنصف القطر R والفترة T تتطلب تسارعًا داخليًا ثابتًا A يساوي حاصل ضرب 4π2 ونسبة نصف القطر إلى مربع الوقت.

نظرية الجاذبية:

تستند نظرية الجاذبية النيوتونية على قوة مفترضة تعمل بين جميع أزواج الأجسام أي فعل على مسافة، عندما تتحرك كتلة ما، كان يُنظر إلى القوة المؤثرة على الكتل الأخرى على أنها تتكيف على الفور مع الموقع الجديد للكتلة النازحة. ومع ذلك، فإن هذا يتعارض مع النسبية الخاصة، التي تقوم على البديهية القائلة بأن كل معرفة بالأحداث البعيدة تأتي من الإشارات الكهرومغناطيسية.
يجب تحديد الكميات الفيزيائية بطريقة تجعل مجموعات معينة منها على وجه الخصوص: المسافة والوقت والكتلة والزخم مستقلة عن اختيار إحداثيات الزمكان، حيث حققت هذه النظرية، مع نظرية المجال للظواهر الكهربائية والمغناطيسية، نجاحًا تجريبيًا لدرجة أن معظم نظريات الجاذبية الحديثة يتم بناؤها كنظريات ميدانية تتفق مع مبادئ النسبية الخاصة.
في نظرية المجال، تتشكل قوة الجاذبية بين الأجسام من خلال عملية من خطوتين:

• ينتج جسم واحد مجال جاذبية يتخلل كل الفضاء المحيط ولكن لديه قوة أضعف بعيدًا عن مصدره، جسم ثانٍ في هذا الفضاء يتأثر بهذا المجال ويختبر قوة.
  
• يُنظر إلى قوة رد الفعل النيوتونية على أنها استجابة الجسم الأول لحقل الجاذبية الذي ينتجه الجسم الثاني، حيث يوجد في جميع النقاط في الفضاء تراكب لحقول الجاذبية بسبب جميع الأجسام الموجودة فيه.
  

ثابت الجاذبية:

تم قياس ثابت الجاذبية بثلاث طرق:

•  مقارنة جاذبية كتلة طبيعية كبيرة بسحب الأرض.
  
•  القياس بميزان معمل لجاذبية الأرض على كتلة اختبار.
  
•  القياس المباشر للقوة بين كتلتين في المختبر.
  

إشعاع الجاذبية:

وفقًا للنسبية العامة، يتم تحديد انحناء الزمكان من خلال توزيع الكتل، بينما يتم تحديد حركة الكتل من خلال الانحناء، نتيجة لذلك، يجب أن تنتقل الاختلافات في مجال الجاذبية من مكان إلى آخر كموجات، تمامًا كما تنتقل التغيرات في المجال الكهرومغناطيسي كموجات.
إذا تغيرت الكتل التي هي مصدر المجال مع مرور الوقت، فيجب أن تشع الطاقة على شكل موجات من انحناء المجال، وهناك أسباب قوية للاعتقاد بوجود مثل هذا الإشعاع، حيث أن نظام نجم مزدوج معين له نجم نابض كأحد مكوناته، ومن قياسات انزياح تردد النجم النابض بسبب تأثير دوبلر، تُظهر التقديرات الدقيقة لفترة المدار أن الفترة تتغير، بما يتوافق مع a انخفاض في طاقة الحركة المدارية، إن إشعاع الجاذبية هو الوسيلة الوحيدة المعروفة التي يمكن أن يحدث من خلالها ذلك.

الجاذبية وعلم الفلك:

تؤثر الجاذبية على النجوم التي تشكل مجرة ​​درب التبانة، حيث أتاح تطبيق قانون نيوتن للجاذبية الحصول على الكثير من المعلومات التفصيلية التي لدينا عن الكواكب في النظام الشمسي وكتلة الشمس وتفاصيل الكوازارات، حتى وجود المادة المظلمة يتم استنتاجه باستخدام قانون الجاذبية لنيوتن. على الرغم من أننا لم نسافر إلى جميع الكواكب ولا إلى الشمس، إلا أننا نعرف كتلها.

يتم الحصول على هذه الكتل من خلال تطبيق قوانين الجاذبية على الخصائص المقاسة للمدار، ففي الفضاء، يحافظ الجسم على مداره بسبب قوة الجاذبية المؤثرة عليه، كما أن الكواكب تدور حول النجوم، والنجوم تدور حول مراكز المجرات، والمجرات تدور حول مركز الكتلة في عناقيد، والعناقيد تدور في عناقيد عملاقة.
تتناسب قوة الجاذبية التي تُمارس على جسم بواسطة آخر بشكل مباشر مع ناتج كتل تلك الأجسام وتتناسب عكسًا مع مربع المسافة بينهما.

نشأت الجاذبية الأولى (ربما في شكل جاذبية كمومية، أو جاذبية فائقة، أو تفرد جاذبية)، جنبًا إلى جنب مع المكان والزمان العاديين، خلال حقبة بلانك (حتى 10-43 ثانية بعد ولادة الكون)، ربما من بدائية الحالة (مثل الفراغ الكاذب أو الفراغ الكمومي أو الجسيم الافتراضي)، بطريقة غير معروفة حاليًا.

.