«صبح من» با علم و دانش: نیرویی که دو جسم دارای جرم به هم وارد کرده همدیگر را جذب می کنند، مانند افتادن سیب از درخت که باعث کشف بزرگ نیوتن شد، به نیروی جاذبه یا گرانشی معروف است. نیروی جاذبه بر اجسام واقع در میدان گرانشی وارد می شود. جرم های بزرگ تر نیروی جاذبه بیشتری وارد می کنند. چهار نیروی بزرگ و اصلی در طبیعت وجود دارد (الکترومغناطیس، هسته ای قوی و ضعیف) که یکی از آن ها نیروی جاذبه است که معروف ترینشان می باشد.
به گزارش مجله خبری صبح من، این که همه ی اجسام و موجودات روی کره زمین روی زمین پابرجا هستند و به سمت بالا پرت نمی شوند و یا معلق در آسمان نیستند به دلیل وجود این نیروی مهم است. همچنین زمین در مدار مشخصی دور خورشید می چرخد به خاطر وجود این نیرو است. منشا نیروی گرانش که یکی از نیروهای پایستار می باشد، پتانسیل گرانشی می باشد. با این مقاله به تعریف و توضیح این موضوع از علم فیزیک می پردازیم.
تاریخچه کشف نیروی گرانشی
گالیله اولین کسی بود که آزمایشات مربوط به نیروی جاذبه را انجام داد. آزمایشات او بررسی چگونگی سرعت سقوط توپ هایی بود که از بالای برج پیزا پرتاب می کرد. گالیله در اوایل قرن هفدهم این نظریه را بیان کرد که برای همه اجسام شتاب نیروی جاذبه یکی است در صورتی که ارسطو قبلا بیان کرده بود که شتاب نیروی جاذبه برای جرم های سنگین تر بیشتر است. آیزاک نیوتن در سال ۱۶۸۰ میلادی تئوری جاذبه به این مفهوم که نیروی جاذبه بر همه اجسام جرم دار وارد می شود و به جرم و فاصله دو جسم از هم بستگی دارد، را بیان کرد. با افتادن سیب از درخت جرقه این تئوری مهم در ذهن نیوتن شکل گرفت. این نیرو بدون در نظر گرفتن اندازه دو جسم بین آن ها به وجود می آید.
بیان ریاضی نظریه نیوتن
Fg = G m۱ m۲ ۲
- Fg: نیروی جاذبه وارد شده بین دو جسم
- G: ثابت جهانی گرانش
- m ۱ و m۲: جرم های دو جسم
- r: فاصله دو جسم از همدیگر
این قانون از قوانین بنیادی فیزیک می باشد و این نیرو بین دو جرم اتفاق می افتد و با مقدار آن متناسب است. پس هرچه جسم ها بزرگتر باشند نیروی گرانشی بزرگتر خواهد بود. سیارات بزرگ نیروی جاذبه بزرگتری وارد می کنند. به نیروی جاذبه ای که بین زمین و یک جسم ایجاد می شود وزن گفته می شود که در پایین توضیح داده می شود.
نظریه نیوتن توضیح اختلالات مدار سیاره عطارد را نمی توانست تحت پوشش قرار دهد. اما در قرن نوزدهم با بیان نظریه نسبیت عام اینشتین این نقض محاسبه شد. اینشتین با در نظر گرفتن فضا به شکل لاستیکی که از تمام جهات کشیده شده بیان کرد که فرورفتگی های آن به دلیل وجود ستارگان و سیارات است. عمیق بودن فرورفتگی ها به دلیل جرم بالاست. اجسام در حال حرکت با نزدیک شدن به فرورفتگی های عمیق به سمت خارج مدار خود کشیده می شوند. نظریه اینشتین در مورد جاذبه با تایید کردن تمام قوانین نیوتن حتی جاهایی که این قوانین قادر به توضیح آن نیستند را نیز توضیح می دهد. نظریه نسبیت عام اینشتین (تعریف شده برای جسم های بزرگ)، با مکانیک کوانتوم متناقض است. چون مکانیک کوانتوم به بررسی رفتار ذرات بسیار ریزی مثل فوتون ها و الکترون ها می پردازد.
بیشتر بخوانید: دانستنی های جالب درباره تنها قمر زمین
فرمول نیروی گرانشی
نیرویی که سبب می شود همه اجسام دارای جرم، وزن داشته باشند گرانش است. مقدار گرانشی که زمین بر جرم جسم وارد می کند وزن نامیده می شود و برابر با حاصل ضرب جرم جسم در شتاب جاذبه ناشی از گرانش است و فرمول آن به صورت W = m ₓ g است و با واحد نیوتن بیان می شود. مقدار شتاب گرانش در زمین ثابت و برابر با ۹.۸ متر بر مجذور ثانیه است.
تفاوت ثابت نیروی گرانشی (G) و شتاب گرانش (g)
شتاب وارد شده از سمت نیروی جاذبه یک جسم بزرگ، بر روی یک جسم شتاب گرانش بوده و با g نمایش داده می شود. اما نیروی جاذبه بین دو جسم به فاصله واحد برابر با ثابت گرانش جهانی (G) است. هر کدام از این واحدها مستقل هستند.
نیروی وزن و اندازه گیری آن
طبق فرمول بالا نیروی وزن به جرم جسم و شتاب ناشی از گرانش بستگی دارد. اگر جسمی در زمین ۵ کیلو گرم جرم داشته باشد در کره ماه نیز همان قدر جرم دارد ولی وزن آن با مقدار وزنی که در زمین دارد یکی نخواهد بود. چون مقدار نیروی وزن اجسام با تغییر مکان جسم (قطب های مختلف زمین یا کره ماه) تغییر می کند. به عنوان مثال اگر وزن یک جسمی در قطب شمال ۷۱۲ نیوتن باشد وزن آن جسم در استوا ۵̸۷۰۸ نیوتن و در کره ماه ۱۲۰ نیوتن خواهد بود. نیروی وزن با شتاب گرانشی متناسب است و با کوچک شدن این شتاب، وزن هم کمتر خواهد شد.
از ترازوهای مختلفی می توان برای اندازه گیری وزن اجسام استفاده کرد. ترازوهای دو کفه ای، دیجیتالی، اهرمی و…نمونه هایی از این ترازوهاست که بر اساس مکانیسم عمل آن ها دقت های متفاوتی دارند. ترازوی فنری با استفاده از نیروی کشسانی فنر وزن را اندازه می گیرد.
نیروی گرانشی زمین
نیروی گرانشی با نام های دیگر همچون نیروی جاذبه در جهان شناخته می شود. جاذبه در اصل نیروی گرانشی بین شما و زمین است. جرم شما همیشه در سطح زمین ثابت است. برای مثال اگر جرم شما ۱۰۰ کیلوگرم باشد، وزن شما ۹۸ نیوتن است. این نیرو چیزی است که باعث سقوط اجسام به سمت زمین می شود. بر روی زمین، شتاب برابر ۹.۸۱ m/s۲ است، به این معنی که جسمی که در حال سقوط آزاد است، در هر ثانیه از سقوط، سرعت سقوط ۹.۸۱ متر بر ثانیه افزایش می یابد.
نیروی گرانشی زمین، ماه و سیارات دیگر
همان طور که گفتیم نیروی جاذبه زمین را در مدار خود و در یک فاصله ی معین از خورشید نگه می دارد. اما نیروی جاذبه زمین در جاهایی از زمین که جرم کمی دارد، بیشتر است و در همه جای آن یکسان نیست. ۱۷ در صد از نیروی جاذبه زمین برای ماه است اما همین مانع برعکس چرخیدن زمین شده و باعث شده زمین تغییرات آب و هوایی زیادی را متحمل نشود. پدیده هایی مثل جزر و مد با گرانش ماه توضیح داده می شود. در مریخ میزان گرانش ۳۸ در صد گرانش زمین است و سیاره مشتری به عنوان بزرگترین سیاره در منظومه شمسی ۲.۵ برابر زمین گرانش دارد.
بیشتر بخوانید: دانستنی های کوتاه و شگفت انگیز
اهمیت وجود نیروی گرانشی
نیروی جاذبه قدرتی است که همه اجسام را روی زمین نگه می دارد که در صورت نبود همه ی اجسام هیچ وزنی نداشته و به فضا پرت می شدند. حتی هوای اطراف کره زمین نیز باقی نمی ماند و زندگی برای موجودات غیر ممکن می شد. جاذبه بین زمین و خورشید و ستارگان از بین می رفت و حیات نابود می شد. اگر روزی نیروی جاذبه نابود شود همه ی موجودات و اجسام، دریاها و همه و همه به فضا رفته و در فضا معلق می ماندند. اگر انسان ها در شرایط بدون نیروی جاذبه و بی وزنی بودند، تعداد گلبول های قرمز خون کم شده و دچار کم خونی فضایی می شدند. حتی خواب نیز در این شرایط دچار اختلال می شود و رشد تمام اندام ها مانند قلب، رگ ها و استخوان ها متفاوت خواهد بود.
نیروی گرانشی زمین یا جاذبه چه اثراتی دارد؟
ممکن است فکر کنید که نیروی گرانشی چیزی است که ما را به سمت سطح زمین می کشد و ممکن است آن را به عنوان چیزی نامطلوب بدانیم که ما را به سمت پایین می کشد. اما در واقعیت نیروی جاذبه دارای طیف گسترده ای از برنامه های کاربردی است که مستقیما بر زندگی روزمره ما تاثیر می گذارد. کاربردهای نیروی گرانشی ممکن است مورد توجه قرار نگیرند، اما برای بقای ما ضروری هستند. برخی از تاثیرات نیروی گرانشی بر زندگی ما عبارتند از:
گردش ماه به دور زمین
کره ماه به دلیل وجود نیروی جاذبه به دور زمین می چرخد. بدون این نیرو، ماه از مدار خود خارج شده و در اعماق فضا به دورتر رانده می شد. نیروی گرانشی است که ماه را در مداری به دور زمین نگه می دارد.
اجسام روی سطح زمین می مانند
اگر جاذبه وجود نداشته باشد، اجسام به اطراف پرواز می کنند. جاذبه اجسام را روی سطح زمین نگه می دارد و بسیار ضروری است. در فضا وقتی چیزی در جهت خاصی رانده می شود به حرکت خود ادامه می دهد تا زمانی که نیروی خارجی آن را متوقف کند.
گردش زمین
مانند حرکت ماه به دور زمین، زمین نیز به دلیل تاثیر گرانشی به دور خورشید حرکت می کند. نیروی گرانشی خورشید به دلیل جرم زیاد آن، بسیار زیاد است. این مدار به دلیل حرکت بیرونی خود زمین و کشش آن به سمت خورشید توسط گرانش به وجود می آید.
جزر و مد
به دلیل چرخش ماه به دور زمین، آب های موجود در سطح زمین تحت تاثیر این نیروی گرانشی قرار می گیرند. جزر و مد مستقیما با موقعیت ماه مرتبط هستند و گرانش ماه، آب را به سمت خود می کشد و منجر به جزر و مد می شود.
بیشتر بخوانید: دانستنی هایی جالب از گوشه و کنار جهان
تفاوت گرانش و جاذبه
جاذبه و نیروی گرانش اصطلاحات بسیار مشابهی هستند که معمولاً در فیزیک استفاده می شوند. عموماً مردم این دو را یک اصطلاح می دانند. اگرچه این دو شبیه به هم هستند، اما بین آنها تفاوت وجود دارد. گرانش نیرویی است که بین دو جسم ایجاد می شود در حالی که جاذبه نیروی بین یک جسم و سطح زمین است.
نیرویی که اجسام حاوی جرم را به سمت یکدیگر جذب می کند گرانش نامیده می شود. این نیرو سیارات را در مدارشان به دور خورشید نگه می دارد و به اجسام مادی وزن می دهد. طبق قانون گرانش جهانی نیوتن، گرانش برای تشکیل ساختار جهان، تأثیر بر اجرام آسمانی و کنترل حرکت روی زمین ضروری است.
جاذبه به عنوان نیرویی تعریف می شود که دو جسم را در جهان به سمت یکدیگر جذب می کند. هر چیزی در جهان ما نیرویی دارد که چیز دیگری را به سمت خود می کشاند. به دلیل ماهیت ضعیف این نیرو، اغلب تشخیص آن برای ما دشوار است. خاصیت ضعیف آن عمدتاً به دلیل فاصله زیاد است.
نیروی گرانشی یک پدیده طبیعی است که بین دو جسم دوردست که در کیهان قرار گرفته اند، رخ می دهد و باعث حرکت آنها می شود. ما می دانیم که همه افراد در این جهان تحت تأثیر نیرویی حرکت می کنند. بنابراین، نیرویی که بین دو جسم در جهان عمل می کند، نیروی گرانش نامیده می شود.
جاذبه یک پدیده طبیعی است که بین سطح زمین و جسمی که در کیهان قرار دارد عمل می کند. نیروی جاذبه را می توان به عنوان نیرویی که بین زمین و جسمی که در نزدیکی آن قرار دارد، تعریف کرد. جاذبه ارتباط مستقیمی با زمین و جسم موجود در نزدیکی آن دارد. همانطور که می دانیم جرم زمین بسیار عظیم است و باید توجه داشت که جسمی با جرم بالاتر جسمی را با جرم کمتر جذب می کند.
