نيوتن والجاذبية الأرضية

إسحق نيوتن

وُلد السير إسحق نيوتن في نيو ستايل في إنجلترا في 25 ديسمبر للعام 1642 للميلاد، وهو عالم الفيزياء والرياضيات، واسع الشهرة ذائع السيط، وبلغ ذروته العلمية بالتزامن مع الثورة العلمية الشاملة في أوروبا في القرن السابع عشر للميلاد، وللسير إسحق نيوتن إسهاماتٍ في علوم عديدةٍ مثل إسهامه في علم البصريات؛ حيث يعد واضع أساس علم البصريات الحديثة، وله إسهامات مهمة في الميكانيكا ويذكر هنا قوانينه الثلاث في الحركة والتي شكلت الحجر الأساس للفيزياء الحديثة لتنتهي بصياغه قانون الجاذبية العالمية العام، وله في الرياضيات بصماتٌ واضحةٌ حيث اكتشف حساب التفاضل والتكامل اللانهائي، وحديث هذا المقال سينصب تركيزه على نيوتن والجاذبية الأرضية.[١]

تأثيرات مبكرة لولادة العالم

عودةً إلى البدايات المبكرة ومنذ لحظة الميلاد وأبعد قليلًا لدراسة العوامل التي ساهمت ولا شك في تكوين شخصية العالم الفذ، والبداية قبل مولده حيث توفي والد نيوتن قبل ولادته بثلاثة شهور، وعندما بلغ إسحق الثالثة من عمره كانت أمه قد تزوجت من القس برنابس سميث، وبقي نيوتن حينها في كنف جدته لأمه فكان محط رعايتها واهتمامها، ولاحقًا وبعد مضي سنين العمر المبكرة تلقى نيوتن تعليمه الأساسي في مدرسه الملك جرانت هام بين سن الثانية عشرة والسابعة عشر، وفي عام 1959 للميلاد كان إسحق نيوتن قد ترك المدرسة ليعود إلى أمه حيث أصبحت أرمله للمرة الثانية بوفاة زوجها المذكور، لكن نيوتن سرعان ما عاد إلى المدرسة بمساعدة هنري توكس وذلك نتيجةً لمحاولة والدته بتحويله إلى نسخة من أبيه المزارع، وهو حكمًا الشيء الذي لم يك ليقبله رغم حداثة سنه وذلك نظرًا لشغفه الكبير في التحصيل والبحث العلمي، وفي العام 1661 للميلاد دخل السير إسحق نيوتن الجامعة، وتحديدًا في كليه الثالوث المقدس داخل جامعة كامبردج.[٢]

في أغسطس للعام 1665 كان نيوتن قد حصل على الدرجة العلمية ثم لتبدأ من هذه النقطة رحلته الطويلة مع العلم والبحث العلمي، وهنا قد يتساءل سائلٌ عن علاقة هذا بنيوتن والجاذبية الأرضية؛ والحقيقة أنّ هذه البدايات والتفاصيل الصغيرة -وإن كانت بحاجه لسردٍ أطول وتفصيلٍ أكثر- هي التي رسمت و صقلت شخصية العالم الشهير وجعلت علاقة نيوتن والجاذبية الأرضية موضعًا للأحاديث.[٢]

تفاحة الجاذبية

تقول الاسطورة – وهي بالطبع ليست أسطورة – أن تفاحة سقطت على رأس السير اسحق نيوتن بينما كان مستلقيًا تحت شجرة التفاح، غير أنّ هذا ليس حقيقيًا تمامًا، لكنه انبعاثٌ مبالغٌ فيه عن أمرٍ واقعي، تمامًا كما في حال تكوّن الأساطير، حيث إنّ الأسطورة تنبع في أساسها من أمرٍ وقصةٍ واقعيةً حقيقية لكنها أخذت شكلها النهائي عبر التداول والتحريف، وعودةً إلى قصه التفاحة تفاحة الجاذبية، فإنّ الفكرة الأولى عن الجاذبية خطرت لإسحق نيوتن عندما شاهد تفاحة سقطت عن الشجرة في مزرعة أمه و حينها بدأ يفكر فيما إذا ما كانت القوة التي أثرت على حبة التفاح فأسقطتها هي نفس القوة التي تؤثر على القمر؟ وإذا كانت نفسها فلماذا سقطت التفاحة وبقي القمر معلقاً؟ كانت هذه أصل البداية لنيوتن والجاذبية الأرضيّة، لكنه تساؤلٍ مدهشٍ قادَ إلى أهم النظريات العلمية على الإطلاق.[٣]

قوانين نيوتن للحركة

في الطريق إلى بحث موضوع نيوتن والجاذبية الأرضيّة يجدر أن يتم الحديث عن قوانين نيوتن للحركة وهي الثلاث الشهيرة، ومع أن هذه القوانين عبارةٌ عن حقائق محضة تعطي الوصف الدقيق والرئيس الذي يرتبط بالأرض من جهة أخصّ ثم بالمجموعة الشمسية على سبيل الشمولية والعموم، إلا أنّ هذه القوانين ورغم كونها حقائق ثابتة وموجودة إلا أنّها انتظرت طويلاً قبل أن يكتشفها إسحق نيوتن وينشرها في أرجاء المعمورة، ومن هنا سمّيت هذه القوانين باسمه، وفيما يأتي تعريف بهذهِ القوانين الثلاث[٤]:

قانون نيوتن الأول

في نص هذا القانون أن الجسم الثابت يبقى ثابتًا، والجسم المتحرك يبقى متحركًا مالم تؤثر عليه -إن كان الجسم الثابت أو الجسم المتحرك- قوةً دافعةً أو مثبطة خارجية تغير من سكونهِ أو من سرعتهِ واتجاهه، وهذا القانون الأول للحركة يشتهر باسم قانون القصور الذاتي.[٤]

قانون نيوتن الثاني

يجيئ في نصِّ هذا القانون أنهُ إذا أثرت قوة ما على جسمٍ ما فهذا يعني أن هذِه القوة المؤثرة ستعمل على إكساب تسارعٍ لذلك الجسم، وهذا التسارع المكتسب يتناسب تناسباً طردياً مع مجاميع القوى المؤثرة على الجسم، بينما يتناسب تناسباً عكسياً مع كتلة ذلك الجسم، وعليهِ فإنه ومن خلال هذا القانون يمكن استنتاج العلاقة بين القوة التي تؤثر على الجسم والتغير في حالتهِ الحركية ولهذا القانون أكبر الفضل للوصول إلى العلاقة بين نيوتن والجاذبية الأرضية كما سيجيئ في موقع اقراِ هذا المقال [٤].

قانون نيوتن الثالث

أما هذا القانون ينص على أن لكل فعل رد فعل منعكس مساوٍ له في المقدار ومعاكس له في الاتجاه، وهذا القانون واضح يفسر نَفْسَهُ بنفسِهِ، وهو القانون الذي قاد إلى الزخم نهايةً، ولربما يمكن دراسة تطبيقاتٍ مهمةٍ على هذا القانون عبر دراسة التصادمات المرنة وغير المرنة والنظر في أمر الزخم من خلالها[٤].

قراءات في قانون نيوتن الثاني

كما تقدم فإنّ لقانون نيوتن الثاني أثرٌ وفضلٌ كبير في اكتشاف نيوتن للجاذبية فإنّه من المهم إفراد مساحةٍ أكبر للحديث عنه وفيه، ومن خلال التقديم لهذا الحديث بسرديةٍ سريعةٍ لقانون نيوتن الأول أي قانون القصور الذاتي، والذي يعدّه العلماء حالةً خاصةً من ضمن عديد الحالات التي يمكن استنباطها من قانون نيوتن الثاني بشكلٍ أو بأخر، فبينما كان قانون نيوتن الأول والذي سبق الحديث عنه في معرض الحديث المستمر عن نيوتن والجاذبية الأرضيّة، وهو المعروف والشهير بكونِهِ قانون القصور الذاتي، لما كان يعطي تنبأً مسبقًا بتصرف الأجسام عندما تكون في حالة اتزانٍ، إن كان من قوىً داخليةً أو خارجية، وعليه فإنّ التسارع لا يمكن أن يحدث طالما ظل الجسم في اتزانِهِ هذا، فإنّ قانون نيوتن الثاني والذي يربط التسارع بالقوى المؤثرة وكتلة الجسم، وهنا حيثُ فقدَ الجسم اتزانه المشار إليه في القانون الأول لنيوتن فإن هذا ما حرك نيوتن ناح الجاذبية الأرضية بطريقةٍ أو بأُخرى، حيث لو أن الجسم ظل محافظًا أبدًا على اتزانه لما برز التفكير في أصل الحركة ودوافعها ومسبباتها إلى حيز التفكير في الأساس، ثم لما التفت العالم الفذ نيوتن إلى تلك القوة الخفية التي تؤثر على الأجسام كلها دون استثناء فتغير من حالاتها الحركية، ولبقيت الجاذبية الأرضية تخبئ نفسها منتظرةً من يسبر أغوارها ويكشّف حجبها ويزيل غموضها، لكنه انتبه ولاحظ في لحظةٍ غير متوقعة؟ كلا هذا ليس صحيحًا على الإطلاق فالتفاحة لم تكن الشرارة بقدر ما كانت الحطب.[٥]

عند تحويل نص قانون نيوتن الثاني إلى معادلةٍ رياضيةٍ فإنها ستكون على هذه الشاكلة “ت = ق/ ك” ولكن هذه الصيغة غير مشهورةٍ إنما تأخذ المعادلة شهرةً أوسع إذا أعيد ترتيبها على هذا النحو “ق = ك * ت” والجدير بالذكر هنا أنّ المقصود بالقوة في هذه المعادلات هي القوة الصافية التي تؤثر على الجسم، لأنّ القوة الصافية هي التي تنتج التسارع في الحالة الحركية للجسم، وهي التي تأخذ الجسم في اتجاهها كما حدث يوم التفاحة الشهيرة.[٥]

ما قبل الجاذبية

كما تقدم وجاء ذكره، فإنّ التفاحة وحين سقوطها وبعيدًا عن موضع سقوطها وطبيعته، لم تكن هي شعلة الفكرة على الإطلاق، فالحقيقة أنّ ثمة حيرة عاشها نيوتن قبلها ولذات السبب وهذا ما سيجيء المقال على ذكره فيما سيأتي من سطوره التاليات، ولكن قبل ذلك وعبر محاولاتٍ ودراساتٍ عدة قام يوهانس كيبلر عالم الرياضيات والفلك وفي بدايات القرن السابع عشر الميلادي بوضع البيانات الفلكية المعلومة حينها في معادلاتٍ ثلاثٍ تصف حركة الكواكب ومداراتها من حول الشمس، غير أن قوانين يوهانس كيبلر والمعروفة على التوالي كلًا على حدى بقانون الحذف وقانون المناطق المتساوية وقانون الانسجام، لم تقدم سوى وصفًا مقبولًا نسبيًا لحركة الكواكب حول الشمس، وقوانينه تلك على هذا لم تقدم سببًا لنشوء هذه المسارات التي تدور فيها الكواكب حول الشمس، كما إنها لم تعط سببًا لنشوء هذه الحركة ومساراتها في الأساس، ولهذه الأسباب تحديدًا ظل السير إسحق نيوتن منزعجًا مشغول الفؤاد، فهو يبحث عن سببٍ مقبولٍ ومنطقيٍ لهذه الحركة التي تتحرك بها الكواكب والقمر أيضًا، خاصةً وأن الكواكب تدور حول الشمس بمسارٍ إهليلجي/ بيضوي، بينما يدور القمر حول الأرض بحركةٍ دائرية.[٦]

بدأ نيوتن يبحث عن السبب لذلك الغموض والذي فسره بالقوة التي تحكم الفضاء، حيث هذه الحركة تسببت في خروج الكواكب عن قصورها الذاتي، وأفقدتها اتزانها، لتخرج من منطق قانون نيوتن الأول، ثم تخضع وتتطابق مع فحوى قانونه الثاني، ولفترةٍ من الوقت ربما طالت ظلت هذه الأفكار هواجسًا لنيوتن وما كانت لتتبدد هواجسه هذه إلا حين سقطت التفاحة وهو يومها حسب المصادر في الرابعة والعشرين من عمره، ثم لتبدأ رحلة نيوتن والجاذبية الأرضية بدايةً حقةً ومستمرة.[٦]

القذف واكتشاف الجاذبية

على ما تقدم وتبين، ظلت الفكرة عن مسارات القمر والكواكب في الفضاء الخارجي تقض مضجع نيوتن، وهذه الفكرة جعلته يرسم حركة القمر على شكل مقذوفٍ، وبافتراض أنّ قذيفة أو مقذوفةً أرسلت باتجاهٍ أفقيٍ من مكانٍ مرتفعٍ ضمن منطقةٍ عديمة الهواء والجاذبية، حتى وإن لم تك الجاذبية قد أخذت معناها الحالي في ذلك الوقت، فقد كانت مجرد قوةٍ مجهولة المصدر وهو ما يبحث عنه أساسًا، فإنها ستظل تسير في مسارٍ أفقي مستقيم في ظل انعدام الهواء والقوة الخفية تلك، لكن وبمجرد وجود تلك القوة المجهولة فإن تلك المقذوفة ستسقط في نقطةٍ ما أسفل خط مسارها الأفقي، ومن خلال هذه الأفكار والتطبيقات والمحاولات توصل السير إسحق نيوتن إلى أنّ القوة التي عملت على إسقاط التفاحة هي ذاتها القوة التي تعمل على تحريك الكواكب والقمر ومن هنا اختمرت الفكرة وانجلى الغباش شيئًا فشيئًا.[٦]

الجاذبية الأرضية

يمكن قبل التطرق إلى معرفة علاقة نيوتن والجاذبية الأرضية تعريف الجاذبية الأرضية؛ إذ تعرف الجاذبية الأرضية بأنّها تلك القوة العالمية للجذب، والتي تطبق بين كل الأجسام والمواد، وبصورةٍ ما فإن الجاذبية هي أحد أضعف القوى الطبيعية على الإطلاق، فهذه القوة ورغم كونها تتحكم وترسم مسارات الأجسام في المجموعة الشمسية، فإنها ليست قوةً فعالةً لدرجةٍ تمكنها من تغيير أو تعيين الخصائص للمواد، وإلى جانب دورها في رسم مسارات الكواكب وأجزاء المجموعة الشمسية، فإنها تدخل في تكوينات وتطورات النجوم والممرات وتتجاوز ذلك إلى عموم الكون، إنّ جاذبية الأرض هي قوتها، وبمعنى آخر فهي مقدار التسارع الذي تمنحه للأجسام في سقوطها الحر، وتقدر كما تقدم بحوالي “9.8 م/ث²”[٧].

نيوتن والجاذبية الأرضية

إنّ وجود جسمين مختلفين ذوا كتلةٍ يعني أن هذين الجسمين سيطبقان قوةً متبادلةً على بعضهما البعض، هذه حتميةٌ مطلقة، وهذه القوة المطبقة المتبادلة تخضع لاعتباراتٍ كأن تتناسب طرديًا مع كتلتي ذينك الجسمين وعكسيًا مع مربع المسافة بينهما، كان هذا تفسير نيوتن لتلك القوة المجهولة المصدر السابق ذكرها والتي سماها أخيرًا بقوة الجاذبية، ثم وصل إلى معادلةٍ رياضيةٍ هي ق=ج*ك1*ك2/نق²”حيث إن “ج” هو ثابت الجذب العام وتعينت قيمته بما يساوي “6.67*10^-11” نيوتن*م²/كغم².[٨]

يتغير شكل المعادلة قليلًا عند القيام بحساب تسارع الجاذبية الأرضية ليصبح بهذا الشكل “ت ج=ج*ك٢/نق²” حيث “ت ج” هو تسارع الجاذبية الأرضية، و “ك٢” كتلة الأرض وتساوي “5.98*10^24 كغم” و”نق” نصف قطر الكرة الأرضية ويبلغ طوله “6.38*10^6 م” نهايةً وعبر هذه المعادلة فإن قيمة تسارع الجاذبية الأرضية يساوي “9.8 م/ث²” وهذا أهم ما في قصة نيوتن والجاذبية الأرضية.[٨]

يمكن إذًا القول بأنّ نيوتن والجاذبية الأرضية أشبه بالتوأم الملتصق؛ فلا تذكر الجاذبية الأرضية ولا يذكر نيوتن أو يخطر على البال أقلها، والمهم أنّ جاذبية نيوتن الكلاسيكية والتي نشرها تحت اسم “برينسيبيا” عام 1687 للميلاد، لا تزال صالحةً وكافيةً لغاية اليوم إلا في استثناءاتٍ بسيطة.[٧]

آينشتاين والجاذبية

بعد أن أسهب الحديث وتطاول حول نيوتن والجاذبية الأرضية يمكن ذكر مظهرٍ آخرٍ أكثر تطورًا من المظهر الذي قدمه المقال عن نيوتن والجاذبية الأرضية، وهو المظهر الذي طوره الفيزيائي الألماني الشهير البرت آينشتاين، والمعروف بالنسبية العامة، والنسبية العامة جزء من نسبية آينشتاين الموسعة، حيث ظهرت النسبية العامة في العام 1916 للميلاد، وهي معنيةٌ بالجاذبية كونها أحد القوى الرئيسة في العالم، ويمكن تلخيص رأي النسبية العامة حول الجاذبية بالقول “من غير الممكن التمييز بين الآثار المادية التي تسببها الجاذبية وتلك الاثار التي يسببها التسارع” وبطبيعة الحال لا تغني هذه الكلمات عن التعريف بالنسبية العامة شيئًا، أخيرًا وبهذا يكون المقال قد أتم حديثه حول نيوتن والجاذبية الأرضية.[٩]

المراجع[+]

1. ↑ “Isaac Newton”, www.britannica.com, Retrieved 27-11-2019. Edited.
2. ^ أ ب “Isaac Newton “, www.wikiwand.com, Retrieved 27-11-2019. Edited.
3. ↑ “Newton’s Law of Gravity”, www.thoughtco.com, Retrieved 27-11-2019. Edited.
4. ^ أ ب ت ث “Today in science: Isaac Newton’s birthday”, www.earthsky.org, Retrieved 27-11-2019. Edited.
5. ^ أ ب “Circular Motion and Satellite Motion – Lesson 3 – Universal Gravitation”, www.physicsclassroom.com, Retrieved 27-11-2019. Edited.
6. ^ أ ب ت “The Apple, the Moon, and the Inverse Square Law”, www.physicsclassroom.com, Retrieved 27-11-2019. Edited.
7. ^ أ ب “Gravity”, www.britannica.com, Retrieved 27-11-2019. Edited.
8. ^ أ ب “Gravity”, www.physics.bu.edu, Retrieved 27-11-2019. Edited.
9. ↑ “General relativity”, www.britannica.com, Retrieved 27-11-2019. Edited.