هل تساءلت يومًا لماذا لا نستطيع الطيران مثل سوبرمان وغيره من الأبطال الخارقين؟ في هذا المقال، نكتشف معًا أسرار الجاذبية، وقوانين نيوتن الثلاثة، وكيف تمنعنا قوانين الفيزياء من التحليق بأجسادنا. وسنتعرف السبب الذي يجعل الطيور تحلق بسهولة في حين نبقى نحن على سطح الأرض، وكيف عوَض الإنسان ذلك باختراع الطائرات والمناطيد والصواريخ.
قوة الجاذبية: اليد الخفية التي تشدنا إلى الأرض
الجاذبية قوة غير مرئية تسحب كل شيء نحو الأرض. فعندما نقفز لأعلى؛ نصعد للحظة، ولكن قوة الجاذبية تسحبنا للأسفل فورًا. وقد اكتشف العالم إسحاق نيوتن هذه القوة عندما لاحظ سقوط التفاحة من الشجرة في القرن السابع عشر، وألهمه ذلك ليضع قانون الجاذبية الكونية الذي ينص على الآتي: «كل جسم في الكون يجذب أي جسم آخر بقوة تتناسب طرديًّا مع كتلتيهما وعكسيًّا مع مربع المسافة بينهما»، ومن ثم فإن:
- أي جسم له كتلة يملك جاذبية، ولكننا نشعر بجاذبية الأجسام الكبيرة جدًّا –مثل كوكب الأرض– تجذبنا بقوة أكبر مقارنةً بكتاب أو كرسي بجوارنا. وتقل الجاذبية كلما ابتعدنا عن الجسم لكنها لا تختفي أبدًا.
- الجاذبية تؤثر في وزن الجسم، ولكن كتلته (كمية المادة فيه) تظل ثابتة في أي مكان.
فمثلًا، تعادل كتلة القمر سدس كتلة الأرض. وعليه، فإن قوة جاذبيته أضعف بكثير من جاذبية الأرض. لذلك يقفز رواد الفضاء عاليًّا على سطح القمر، إذ يزن الجسم على القمر سدس وزنه على الأرض.
تُقاس الجاذبية بتسارع السقوط الحر للجسم، والذي يبلغ على سطح الأرض قرابة 9.8 م/ث²، في حين يبلغ على سطح القمر 1.6 م/ث² فقط. وقد قاس العلماء الجاذبية قديمًا بالبندول، أما الآن فيستخدمون أجهزة دقيقة تسمى جرافيمترات/ أو الأقمار الصناعية.
شرح نيوتن ثلاثة قوانين أساسية تحكم كل حركة في الكون، وهي تُعرف بقوانين نيوتن للحركة:
- قانون القصور الذاتي: إذا كان جسم ساكن، فسيظل ساكنًا، وإذا كان متحركًا فسيظل متحركًا، ما لم تؤثر عليه قوة خارجية. هذا يعني أن لو استطعنا الانطلاق في الهواء، سنستمر في الطيران إذا لم توقفنا قوة أخرى (مثل: الجاذبية أو الهواء).
- القوة = الكتلة × التسارع: لكي ترتفع إلى الأعلى بسرعة، تحتاج إلى قوة كبيرة جدًّا، لأن جسم الإنسان ثقيل مقارنةً بالطيور أو الحشرات.
- لكل فعل رد فعل مساو له في المقدار ومعاكس له في الاتجاه: يمكن الاستعانة بهذا القانون لفهم قدرة الطيور على الطيران وعجزنا عنه. فالطيور تدفع الهواء بأجنحتها للأسفل، فيدفعها الهواء للأعلى. وعلى عكس أجسامنا، فأجسام الطيور المصممة للطيران –عظامها الخفيفة المجوفة وعضلاتها القوية وأجنحتها التي تساعد على توليد قوة الرفع– تمنحها القوة الكافية للتغلب على الجاذبية.
ما أهمية الجاذبية في حياتنا؟
- تثبتنا على الأرض: من دون الجاذبية، كنا جميعًا سنطفو بلا اتجاه. فكل خطوة نخطوها تعتمد على قوة جاذبية الأرض التي تبقينا ملتصقين بسطحها.
- تشكيل النظام الشمسي: الجاذبية هي المهندس الأعظم للكون؛ إذ تُبقي الكواكب في مدارها حول النجوم، وتُبقي الأقمار حول الكواكب والمجرات متماسكة. من دونها، لكان الكون مجرد ذرات متناثرة بلا نظام.
- أساس الحياة على الأرض: تحافظ جاذبية الأرض على غلافها الجوي، فتحجز الأكسجين والنيتروجين وبخار الماء اللازم للحياة.
- تؤثر الجاذبية في أنماط الطقس، وفي كيفية نمو النباتات والحيوانات.
- تؤثر جاذبية القمر في البحار مسببة المد والجزر.
كيف حقق الإنسان حلم الطيران؟
ابتكر الإنسان وسائل تتحدى الجاذبية ليتمكن من الطيران، مثل الطائرات والمناطيد والصواريخ. وتعتمد هذه المركبات على محركات قوية، وأشكال ديناميكية هوائية تساعدها على الارتفاع في السماء. ويمكن للأطفال استخدام قوانين الحركة لصنع ألعاب تطير مثل الطائرات الورقية، وفهم كيف يؤثر الهواء والجاذبية في حركتها. بهذه الطريقة، نصبح نحن «أبطال الفيزياء» حتى لو لم نكن أبطال خارقين.
المراجع
britannica.com
britannica.com/science
canva.com
spaceplace.nasa.gov