بحث عن الجاذبية الأرضية

مقدمة البحث

الحمد لله الذي جعل الأرض مستقرًا والسماء بناءً، والصلاة والسلام على نبينا محمد. أما بعد، فإننا نمشي على الأرض ولا نطير عنها، وإذا رفعنا حجرًا وتركناه سقط، والقمر يدور حول الأرض ولا يهرب منها، والكواكب تدور حول الشمس في مدارات ثابتة. وهذا كله بسبب قوة خفية تسمى الجاذبية. وقد جعل الله هذه القوة نعمة عظيمة تحفظ لنا الغلاف الجوي والماء على الأرض وتمكننا من الحياة، وفي هذا البحث نتعرف على الجاذبية الأرضية وقوانينها وآثارها.

وقد ذكّرنا الله تعالى بنعمة الأرض وتذليلها لنا في قوله:

﴿هُوَ الَّذِي جَعَلَ لَكُمُ الْأَرْضَ ذَلُولًا فَامْشُوا فِي مَنَاكِبِهَا وَكُلُوا مِنْ رِزْقِهِ ۖ وَإِلَيْهِ النُّشُورُ﴾ [الملك: 15]

تعريف الموضوع

الجاذبية هي قوة تجاذب تؤثر بين أي جسمين لهما كتلة، وتزداد كلما زادت كتلتاهما وتقل كلما ابتعد أحدهما عن الآخر. والجاذبية الأرضية هي قوة التجاذب بين الأرض وبين الأجسام القريبة منها أو التي تدور حولها، وهي التي تسحب الأجسام نحو مركز الأرض فتسبب سقوطها، وتعطي الأجسام وزنها، وتبقي القمر والأقمار الاصطناعية في مداراتها.

أهمية الموضوع

تظهر أهمية الجاذبية الأرضية في أنها سبب بقاء الغلاف الجوي حول الأرض، وجريان الأنهار وهطول الأمطار، واستقرار الأجسام على الأرض، وحدوث ظاهرتي المد والجزر بتأثير جاذبية القمر والشمس للمحيطات. ومعرفة قوانينها ضرورية لإطلاق الصواريخ والأقمار الصناعية وتصميم المباني والجسور وفهم حركة الأجرام السماوية، ولعلاج بعض أمراض العظام عند رواد الفضاء.

أهداف البحث

• التعرف على مفهوم الجاذبية الأرضية والعالم الذي صاغ قانونها.
• فهم قانون نيوتن للجذب العام وتطبيقه في مسائل بسيطة.
• التمييز بين الكتلة والوزن وحساب الوزن.
• التعرف على السقوط الحر وتسارع الجاذبية.
• بيان علاقة الجاذبية بالأقمار الصناعية وانعدام الوزن.

أولًا: نبذة تاريخية

فكر العلماء قديمًا في سبب سقوط الأجسام، فظن أرسطو أن الأجسام الثقيلة تسقط أسرع من الخفيفة. ثم جاء جاليليو في القرن السادس عشر الميلادي وتوصل بالتجربة والاستدلال إلى أن الأجسام تسقط بالتسارع نفسه إذا أُهملت مقاومة الهواء مهما اختلفت كتلتها. وفي القرن السابع عشر الميلادي صاغ العالم الإنجليزي إسحاق نيوتن قانون الجذب العام الذي فسّر سقوط التفاحة وحركة القمر بقانون واحد. وقد سبق ذلك علماء مسلمون درسوا الحركة والثقل، منهم الحسن بن الهيثم والبيروني والخازني، ومهدوا الطريق للدراسات اللاحقة.

ثانيًا: قانون نيوتن للجذب العام

ينص القانون على أن كل جسمين في الكون يتجاذبان بقوة تتناسب طرديًا مع حاصل ضرب كتلتيهما، وعكسيًا مع مربع المسافة بين مركزيهما، أي أنه إذا تضاعفت المسافة قلّت القوة إلى الربع.

F = G m₁ m₂ / r²

حيث F قوة الجذب، ثم G ثابت الجذب العام، ثم m₁ و m₂ كتلتا الجسمين، ثم r المسافة بين مركزيهما. وقيمة الثابت G صغيرة جدًا، ولذلك لا نحس بقوة جذب بين الأجسام العادية، ولا تظهر القوة بوضوح إلا إذا كانت إحدى الكتلتين ضخمة كالأرض أو الشمس.

مثال على التناسب: إذا ضاعفنا كتلة أحد الجسمين مع بقاء المسافة ثابتة تضاعفت قوة الجذب، وإذا زادت المسافة بين الجسمين إلى ثلاثة أمثالها قلّت القوة إلى تسع ما كانت عليه.

ثالثًا: تسارع الجاذبية الأرضية

عند سقوط جسم قرب سطح الأرض تؤثر فيه قوة جذب الأرض فيتسارع نحوها بتسارع يسمى تسارع الجاذبية الأرضية ويُرمز له بالحرف g. وقيمته قرب سطح الأرض تقارب تسعة أمتار وثمانية أعشار المتر لكل ثانية مربعة، ويُقرَّب في المسائل إلى عشرة أمتار لكل ثانية مربعة. ومعنى ذلك أن سرعة الجسم الساقط سقوطًا حرًا تزداد بمقدار عشرة أمتار في الثانية مع كل ثانية.

v = g t

h = ½ g t²

مثال محلول: سقط حجر من ساكن من قمة برج، فوصل إلى الأرض بعد أربع ثوانٍ. ما سرعته لحظة الوصول وارتفاع البرج، علمًا أن g تساوي عشرة؟

v = g t = 10 × 4 = 40 m/s

h = ½ × 10 × 4² = 80 m

وبذلك تكون سرعة الحجر أربعين مترًا في الثانية، وارتفاع البرج ثمانين مترًا. ويتغير تسارع الجاذبية قليلًا بحسب الموقع، فهو أقل على قمة الجبل منه عند مستوى سطح البحر، وأقل عند خط الاستواء منه عند القطبين.

رابعًا: الكتلة والوزن

W = m g

مثال: طالب كتلته خمسون كيلوجرامًا، فوزنه على الأرض يساوي خمسين مضروبة في عشرة، أي خمسمئة نيوتن. وإذا ذهب إلى القمر حيث الجاذبية أقل من سدس جاذبية الأرض تقريبًا بقيت كتلته خمسين كيلوجرامًا، لكن وزنه ينقص كثيرًا.

خامسًا: الأقمار الصناعية وانعدام الوزن

يدور القمر الصناعي حول الأرض لأن الجاذبية تعمل كقوة مركزية تجعله يغير اتجاهه باستمرار وهو يتحرك بسرعة كبيرة، فيسقط نحو الأرض لكن الأرض تنحني من تحته، فيبقى في مداره. فهو في الحقيقة في حالة سقوط حر دائم حول الأرض. ولهذا يشعر رواد الفضاء داخل المحطة الفضائية بانعدام الوزن، مع أن الجاذبية ما زالت مؤثرة فيهم، لأنهم وسفينتهم يسقطون معًا بالتسارع نفسه فلا يضغط أحدهم على الآخر.

وقد أطلقت المملكة العربية السعودية عددًا من الأقمار الصناعية للاتصالات والبحوث والاستشعار عن بعد عبر مدينة الملك عبد العزيز للعلوم والتقنية وجهات أخرى، وشاركت في برامج الفضاء، وهذا يدعو الطلاب إلى الاهتمام بعلوم الفيزياء والفلك.

سادسًا: ظواهر مرتبطة بالجاذبية

• المد والجزر: ارتفاع مستوى مياه البحار وانخفاضها بتأثير جاذبية القمر والشمس.
• بقاء الغلاف الجوي: جاذبية الأرض تمنع غازات الهواء من الهرب إلى الفضاء.
• الضغط الجوي والمائي: ينشأ من وزن الهواء أو الماء فوق السطح.
• سرعة الإفلات: أقل سرعة لازمة ليتحرر الجسم من جاذبية الأرض، وتبلغ نحو أحد عشر كيلومترًا في الثانية، وتستخدمها الصواريخ.

الخاتمة

تبين من هذا البحث أن الجاذبية قوة تجاذب تؤثر بين الأجسام ذات الكتلة، وأن قانون نيوتن يحدد مقدارها بكتلتي الجسمين والمسافة بينهما، وأن الجاذبية الأرضية تسبب سقوط الأجسام وتعطيها وزنها وتُبقي القمر والأقمار الصناعية في مداراتها. وهي نعمة من الله نحمده عليها، ودعوة للتأمل في هذا الكون المنظم، وتشجيع على دراسة الفيزياء والفضاء لخدمة وطننا وأمتنا.

المراجع

• كتاب الفيزياء للمرحلة الثانوية، وزارة التعليم في المملكة العربية السعودية.
• المبادئ الرياضية للفلسفة الطبيعية، لإسحاق نيوتن.
• الفيزياء الجامعية، لهيو يونغ وروجر فريدمان.
• الموسوعة العربية العالمية.
• الموقع الرسمي لمدينة الملك عبد العزيز للعلوم والتقنية.

كلمات دليلية

بحث، بحث عن، بحث علمي، بحوث، الجاذبية الأرضية