ورقاتمقدمة البحث
الحمد لله رب العالمين، والصلاة والسلام على نبينا محمد. أما بعد، فإن كل شيء في هذا الكون يخضع لقوانين دقيقة أودعها الله فيه، فالأجسام تسقط نحو الأرض، والكواكب تدور حول الشمس، والماء يتجمع في قطرات، والمغناطيس يجذب الحديد. وكل هذه الظواهر تُفسَّر بوجود قوى التجاذب. وفي هذا البحث نتعرف على أنواع قوى التجاذب وقوانينها وأمثلة عليها في حياتنا.
تعريف الموضوع
قوى التجاذب هي قوى تعمل على جذب جسمين أو جسيمين أحدهما نحو الآخر. وتوجد في الطبيعة أنواع مختلفة منها، تختلف في مصدرها وشدتها ومداها، ومنها قوة الجاذبية الكونية، والقوة الكهربائية بين الشحنات المختلفة، والقوة المغناطيسية، والقوى بين جزيئات المواد كالتماسك والتلاصق، والقوة النووية داخل النواة.
أهمية الموضوع
تفسّر قوى التجاذب أمورًا كثيرة نراها كل يوم: وزن الأجسام، ومدارات الكواكب والأقمار، والمد والجزر، وتماسك المواد، وارتفاع الماء في الأنابيب الدقيقة وفي جذور النباتات، وعمل المحركات الكهربائية. وفهمها أساس للعلوم الهندسية والفلكية والتقنية.
أهداف البحث
- التعرف على معنى قوى التجاذب وأنواعها.
- التعرف على قانون الجذب العام لنيوتن وقانون كولوم.
- التمييز بين قوى التماسك وقوى التلاصق.
- تفسير الظواهر الناتجة كالتوتر السطحي والخاصية الشعرية.
- حل مسائل بسيطة على قوانين التجاذب.
أنواع قوى التجاذب
أولًا: قوة الجاذبية الكونية
اكتشف العالم إسحاق نيوتن أن كل جسمين في الكون يتجاذبان بقوة تتناسب طرديًا مع حاصل ضرب كتلتيهما وعكسيًا مع مربع المسافة بين مركزيهما. ويُعبَّر عنها بالقانون:
F = G × m1 × m2 / r2
حيث F قوة التجاذب بالنيوتن، و G ثابت الجذب الكوني، و m1 و m2 كتلتا الجسمين بالكيلوجرام، و r المسافة بين مركزيهما بالمتر. وقيمة ثابت الجذب الكوني نحو ٦٫٦٧ × 10-11 نيوتن متر مربع لكل كيلوجرام مربع. وهذه القوة ضعيفة جدًا بين الأجسام الصغيرة لكنها كبيرة عندما تكون إحدى الكتلتين ضخمة كالأرض.
ومن أمثلتها وزن الجسم على الأرض، ويُحسب من العلاقة W = m × g، حيث g تسارع الجاذبية الأرضية، ويساوي نحو 10 م/ث2 تقريبًا. وهي التي تحفظ الأقمار والكواكب في مداراتها. وقد قال الله تعالى:
﴿أَلَمْ تَرَ أَنَّ اللَّهَ سَخَّرَ لَكُمْ مَا فِي الْأَرْضِ وَالْفُلْكَ تَجْرِي فِي الْبَحْرِ بِأَمْرِهِ وَيُمْسِكُ السَّمَاءَ أَنْ تَقَعَ عَلَى الْأَرْضِ إِلَّا بِإِذْنِهِ ۗ إِنَّ اللَّهَ بِالنَّاسِ لَرَءُوفٌ رَحِيمٌ﴾ [الحج: 65]
وقال سبحانه في إمساك السماوات والأرض:
﴿إِنَّ اللَّهَ يُمْسِكُ السَّمَاوَاتِ وَالْأَرْضَ أَنْ تَزُولَا ۚ وَلَئِنْ زَالَتَا إِنْ أَمْسَكَهُمَا مِنْ أَحَدٍ مِنْ بَعْدِهِ ۚ إِنَّهُ كَانَ حَلِيمًا غَفُورًا﴾ [فاطر: 41]
ثانيًا: القوة الكهربائية
الشحنات الكهربائية المختلفة (موجبة وسالبة) تتجاذب، والمتشابهة تتنافر. وقد صاغ العالم كولوم قانونًا لحساب القوة بين شحنتين نقطيتين:
F = k × q1 × q2 / r2
حيث k ثابت كولوم ويساوي نحو 9 × 109 نيوتن متر مربع لكل كولوم مربع، و q1 و q2 مقدارا الشحنتين بالكولوم. وبهذه القوة تتماسك الذرات، فالإلكترونات السالبة تنجذب إلى النواة الموجبة.
ثالثًا: القوة المغناطيسية
يجذب المغناطيس المواد الحديدية، وللمغناطيس قطبان شمالي وجنوبي، والأقطاب المختلفة تتجاذب والمتشابهة تتنافر. وتُستخدم المغانط في المحركات والمولدات وأجهزة التخزين.
رابعًا: القوة النووية
داخل نواة الذرة تتجاذب البروتونات والنيوترونات بقوة شديدة جدًا تسمى القوة النووية القوية، وهي تغلب التنافر الكهربائي بين البروتونات فتبقى النواة متماسكة، ولكنها قوية على مسافات صغيرة جدًا.
قوى التجاذب بين الجزيئات
تتجاذب جزيئات المواد بقوى ناتجة عن القوة الكهربائية، وهي التي تحدد حالة المادة. وتنقسم هنا إلى نوعين:
| القوة | تعريفها | مثال |
|---|---|---|
| قوة التماسك | قوة تجاذب بين جزيئات المادة الواحدة | تجمع جزيئات الماء في قطرة، وتماسك جزيئات الزئبق |
| قوة التلاصق | قوة تجاذب بين جزيئات مادتين مختلفتين | التصاق الماء بجدار الكأس، والتصاق الطباشير بالسبورة |
الظواهر الناتجة عن هذه القوى
- التوتر السطحي: تتجاذب جزيئات سطح السائل نحو الداخل فيصبح السطح كأنه غشاء مشدود، ولذلك تستطيع بعض الحشرات المشي على سطح الماء، وتأخذ القطرات شكلًا كرويًا.
- الخاصية الشعرية: ارتفاع بعض السوائل أو انخفاضها في الأنابيب الضيقة جدًا. فالماء يرتفع في الأنبوب الشعري لأن قوة التلاصق بينه وبين الزجاج أكبر من قوة التماسك بين جزيئاته، فيكون سطحه مقعرًا. أما الزئبق فينخفض لأن قوة التماسك أكبر من قوة التلاصق فيكون سطحه محدبًا. وبهذه الخاصية تصعد المياه في جذور النباتات وسيقانها.
- اللزوجة: مقاومة السائل للجريان بسبب تجاذب جزيئاته، فالعسل أشد لزوجة من الماء.
أمثلة محلولة
المثال الأول: الجذب الكوني
كتلتان كل منهما 1000 كجم والمسافة بين مركزيهما 10 م، فما قوة التجاذب بينهما؟
F = G × m1 × m2 / r2 = 6.67 × 10-11 × 1000 × 1000 / 102 = 6.67 × 10-7 N
وهي قوة ضئيلة جدًا ولا نشعر بها، وهذا يفسر لماذا لا نلاحظ تجاذب الأجسام الصغيرة.
المثال الثاني: القوة الكهربائية
شحنتان مقدار الأولى 2 × 10-6 C ومقدار الثانية 3 × 10-6 C، والمسافة بينهما 3 م، فما القوة بينهما؟
F = 9 × 109 × (2 × 10-6) × (3 × 10-6) / 32 = 9 × 109 × 6 × 10-12 / 9 = 6 × 10-3 N
وتكون القوة تجاذبًا إذا كانت الشحنتان مختلفتين في الإشارة، وتنافرًا إذا كانتا متشابهتين.
المثال الثالث: وزن جسم
جسم كتلته 60 كجم، فما وزنه على الأرض بأخذ تسارع الجاذبية 10 م/ث2؟
W = m × g = 60 × 10 = 600 N
النتائج
- قوى التجاذب أنواع: كونية وكهربائية ومغناطيسية ونووية وبين الجزيئات.
- تتناسب قوة الجاذبية طرديًا مع الكتلتين وعكسيًا مع مربع المسافة.
- قوة التماسك بين جزيئات المادة الواحدة، وقوة التلاصق بين مادتين مختلفتين.
- تفسر القوى الجزيئية التوتر السطحي والخاصية الشعرية واللزوجة.
التوصيات
- إجراء تجارب بسيطة في المدرسة لمشاهدة التوتر السطحي والخاصية الشعرية.
- الاهتمام بحل المسائل لتثبيت القوانين وفهم وحدات القياس.
- ربط الظواهر الفيزيائية بآيات الله في الكون وتعظيم الخالق.
الخاتمة
تعرّفنا في هذا البحث على قوى التجاذب في الكون، من الجاذبية التي تمسك الكواكب إلى القوى الصغيرة بين الجزيئات التي تشكل القطرات وترفع الماء في النبات. وهذه القوى كلها تدل على النظام الدقيق الذي خلق الله به الكون، وتدعونا إلى التأمل في خلقه والعمل بالعلم النافع.
المراجع
- القرآن الكريم.
- كتب الفيزياء للمرحلتين المتوسطة والثانوية، وزارة التعليم في المملكة العربية السعودية.
- كتاب Physics for Scientists and Engineers، ريموند سيروي.
- كتاب Fundamentals of Physics، هاليداي ورزنيك ووولكر.