تويت
ثقاله
Gravity - Gravité
الثقالة
تجذب الأرض كل جسم في جوارها نحو مركزها بقوة تسمى وزن الجسم أو ثقله ث، ويطلق على هذه الظاهرة اسم الثقالة gravity، أما التثاقل gravitation فتعني التجاذب المتبادل بين جسمين سماويين.
وتدل التجربة على أن النسبة بين ثقليْ جسمين إذا قيسا في المكان نفسه لا تتوقف على موضع هذا المكان، ويشار إلى ذلك بالقول إن ثقل أي جسم في أي مكان يتناسب مع مقدارٍ مستقل عن المكان، اصطُلح على تسميته كتلة الجسم الثقالية وعلى الرمز إليه بالحرف ك. أما ثابت التناسب، أي النسبة بين ثقل الجسم ث وكتلته ك، فتسمى الثقالة جـ، وهي مقدار يتغير من مكان إلى آخر، ويقدر بالنيوتن لكل كيلوغرام، ويعني هذا أن
، وكتابة هذه العلاقة على النحو ث = ك.ج (1)، تقابل تماماً العلاقة التحريكية التي تُعطي تغير سرعة جسم، أي تسارعه تع، بفعل القوة ق، المؤثرة فيه مع كتلته المسماة الكتلة العطالية inert كَ، وهي العلاقة: ق = كَ تع (2). وهذا يعني أن الجسم الساقط سقوطاً حراً يكتسب تسارعاً مقداره جـ، ومن ثم يُعدُّ جـ تسارع الثقالة في المكان المعيَّن، ويقدَّر حينئذ بالمتر لكل ثانية في الثانية. وقد تبين من تجارب أجريت حديثاً أن: ك = كَ بدقة بلغت رتبة عالية، ورمز إليهما برمز واحد (ك).
وإذا كان الجسم على الأرض ساكناً، فإن قيمة شدة الثقالة جـ لا تعود إلى قوة واحدة بل إلى قوتين، أولاهما، التي تؤلف القسم الأساسي، هي قوة الجذب النيوتني المعطاة بالعلاقة:
حيث ج ثابت الجاذبية العام، نق نصف قطر الأرض المتوسط، كـ كتلة الأرض. أما القوة الثانية فهي القوة المركزية النابذة الناجمة عن دوران الأرض حول محورها الجغرافي، وتُعطى عند خط العرض ع بالعلاقة ق= ك سه2 نقع (4)، حيث سه: السرعة الزاوية، نقع نصف قطر الدوران عند خط العرض ع.
وعلى الرغم من أن هاتين العبارتين مختلفتان اختلافاً كبيراً. فإنهما تتناسبان طرداً مع القيمة الوحيدة المقبولة للكتلة ك، وهذا يتيح التركيب المتجهي للشدتين الموافقتين، ويعطى اتجاه الشاقول في مكانٍ ما باتجاه الثقالة.
وتتزايد قيمة القوة المركزية النابذة من الصفر عند القطبين حتى 3.385سم/ثا2 عند خط الاستواء. وقد أطلق على الوحدة سم/ثا2 الاسم غال تكريماً للعالم غاليليو. ومن الأسباب التي تؤدي إلى تغير قيمة جـ مع خط العرض إضافة إلى القوة المركزية، وهي الكبرى أثراً، البعد عن مركز الأرض واختلاف توزع الكتل في القشرة الأرضية ووجود فلزات أو زيوت أو مواد أخرى كتلتها الحجمية أكبر من الكتلة الحجمية الوسطى للأرض أو أصغر منها.
القياسات المطلقة للثقالة والقياسات النسبية
تعتمد هذه القياسات على مشاهدة اهتزازات النواس وعلى مشاهدة سقوط جسم سقوطاً حراً. ففي حالة النواس يُستخدم نواس بسيط مؤلف من كرة معدنية صغيرة كتلتها (ك) معلقة بخيط غير قابل للمط طولـه ل. فالقـوة التي تحرك النواس باتجـاه الشـاقـول هي:
ق = ل2جـ يه، حيث يه زاوية الخيط مع الشاقول. وتُكسب هذه القوةُ الكتلة ك تسارعاً تع يُعطى عندما تكون يه صغيرة بما يلي:
وتدل هذه العلاقة على أن النواس يهتز بحركة توافقية بسيطة يُعطى دورها (د) بالعلاقة:
، أي أن دور النواس لا يتوقف على مادته، فالنواسات البسيطة التي لها الطول نفسه تكون أدوارها واحدة في المكان الواحد.
لكن لا بد، في حالة النواس البسيط الذي يمكن تحقيقه، من إجراء تصحيحات تتعلق بأبعاد كرة النواس وثقل خيطه، بيد أنه يمكن استعمال نواس مركب مكوّن من جسم صلب يهتز حول محورٍ ما، ومن خاصته أنه إذا تساوى دوْراه (د) حين يهتز حول محورين متوازيين واقعيْن على جانبيْ مركز ثقله وعلى بعديْن مختلفين منه، فإن البعد بين المحورين يكون مساوياً لطول النواس البسيط (ل) المواقت، أي الذي له الدور (د) نفسه. ويوصف هذا النواس المركب بأنه عكوس أو قابل للقلب، ويتضمن سكينيْن متوازيتيْن يُنظَّم وضعاهما حتى يتساوى دوْرا اهتزاز النواس، فيقاس البعد (ل) بينهما وكذلك الدور (د) وتُحسب جـ من العلاقة (6).
وقد استُخدمت أجهزة أيسر استعمالاً تسمى مقاييس الثقالة gravimeters، وهي تعتمد على معادلة ثقل جسم بقوة أخرى مثل قوة نابض مشدود. وما يقاس حينئذ هو الوضع اللازم لإعادة وضع توازن المجموعة المتحركة إلى نقطة ثابتة؛ وتعتمد المسألة كلياً على ثابت قوة النابض. وأكثر ما تُستخدم هذه المقاييس لإيجاد الفروق بين قيم حـ في محطات متتابعة، ويمكن أن تكون دقتها عالية تصل إلى نحو 0.01 ملي غال. وتمتاز هذه الأجهزة بأن القياس بها بسيط وسريع، وأنه يسهل نقلها من مكان إلى آخر، وهذا أتاح إجراء عدد كبير من القياسات في أماكن مختلفة من العالم.
لكن قياس جـ قياساً مباشراً يُنَفَّذُ بمشاهدة سقوط جسم سقوطاً حراً يخضع للقانون:
، حيث س مسافة السقوط، ز مدة السقوط، سر السرعة الابتدائية للجسم. وقد أمكن حديثاً إجراء قياسات دقيقة لمددٍ فاصلة (ز) قصيرة جداً، ومسافات (س) في الوقت نفسه باتباع طريقة عُرف مبدؤها منذ حين.
ففي جهاز المكتب الدولي للمقاييس والموازين يُقذف الجسم من الأسفل إلى الأعلى شاقولياً وهو يحمل مرآة ذات شكل مناسب (موشورية أو مكعبية) ينعكس عنها شعاع ضوئي ليزري شاقولي يتداخل مع شعاع آخر في جهازٍ استُوحي من مقياس ميكلسون التداخلي. وتُقاس المدة (ز) اللازمة لاختفاء الأهداب باستعمال مضاعف فوتوني. وتصل دقة قياس جـ بهذه الطريقة التداخلية إلى 0.01 ملي غال، ويمكن إعادة التجربة على نحو متصلٍ تقريباً.
وقد أُجريت هذه القياسات المطلقة للثقالة في أماكن مختلفة من سطح الأرض وأمكن تحديد عددٍ من قيم جـ المرتبطة بمواقع معينة، وقد بلغت الدقة في قياسها ستة أرقام معنوية كما هو مبين في الجدول 1.
والسبب في أن العلماء يسعون إلى دقة كهذه هو أن معرفة قيمة جـ على سطح الأرض تفيد في تفسير بنية الأرض وشكلها، كما تبين الاختلافات في الكتلة الحجمية للمواد الواقعة تحت سطح الأرض، وهذه تفيد الجيولوجيين في كشف وجود ترسبات النفط والزيوت تحت سطح الأرض. وقد صرفت بعض الشركات مبالغ طائلة لقياس جـ في مناطق مختلفة من سطح الأرض. كذلك فإن الحصول على صيغة دقيقة تُستنتج منها قيم الثقالة جـ في الفضاء لا غنى عنها للتنبؤ بسير المركبات الفضائية.
أما القياسات النسبية فهي سلسلة قياسات أو تسجيلات متواصلة تجري في مكان واحد لدراسة تغيرات قيم جـ بتأثير الأسباب المشوشة المتغيرة مع الزمن، ولا سيما تلك التي تُعزى إلى ظاهرة المد والجزر التجاذبية الناجمة عن جذب الشمس والقمر أو إلى عدم انتظام كثافة الطبقات التي تحت سطح الأرض. وينتج من ذلك انحرافات ضئيلة دورية للشاقول في المكان الذي يجري القياس فيه. وتجري هذه القياسات النسبية باستعمال نواسات لا يتبدل شكلها مثل النواس القابل للقلب العكوس، أو باستعمال أجهزة تكون تشوهاتها ناجمة كلياً عن المرونة.
انعدام الوزن
ينعدم وزن الشيء عندما يطفو في الماء بتأثير دافعة أرخميدس، ولكن انعدام وزن كائن حيٍ لا يكون حينئذٍ حقيقياً إذ يقتصر تأثيره على انتقاله إلى عضويات الكائن الداخلية بدون أن يُلغي قوى ارتباطها بالعضويات المجاورة لها. فتمارين الغطس في المسابح التي يقوم بها رواد الفضاء لا تحقق إلا انعدام وزن إجمالي يفيد في الألعاب الرياضية الخاصة بالحركات البطيئة لكنها لا تحقق الشروط الفيزيولوجية لانعدامٍ حقيقي للوزن يتطلب أن يطال التأثيرُ كُلَّ نقطةٍ من الكائن؛ ولا يتحقق ذلك إلا عندما تتساوى القوة المركزية النابذة الناجمة عن دوران مركبة فضائية مع جاذبية الأرض في منطقة النهاية الصغرى للجذب الأرضي القمري؛ ويمكن أن يحدث انعدام الوزن لوقت قصيرٍ في حالة سقوط طائرة.
وقد تبين أن رواد الفضاء يعانون، حين يكونون عرضة لانعدام الوزن، اضطراباتٍ فيزيولوجية منها هبوط في معدل ضربات القلب والتنفس، ونقصان مطرد في وزن الجسم وكالسيوم العظام خلال رحلات لمدة وجيزة، ويحدث عكس ذلك بعد العودة إلى الأرض. وقد أُجريت دراسات كيميائية حيوية بينت أن على رائد الفضاء أن يقوم بتدريبات معينة لا تقل عن 40 يوماً، باستعمال أجهزة مصممة تصميماً مناسباً كي يستطيع الرائد أن يحافظ على صحته عند انعدام وزنه.
طاهر تربدار
Gravity - Gravité
الثقالة
تجذب الأرض كل جسم في جوارها نحو مركزها بقوة تسمى وزن الجسم أو ثقله ث، ويطلق على هذه الظاهرة اسم الثقالة gravity، أما التثاقل gravitation فتعني التجاذب المتبادل بين جسمين سماويين.
وتدل التجربة على أن النسبة بين ثقليْ جسمين إذا قيسا في المكان نفسه لا تتوقف على موضع هذا المكان، ويشار إلى ذلك بالقول إن ثقل أي جسم في أي مكان يتناسب مع مقدارٍ مستقل عن المكان، اصطُلح على تسميته كتلة الجسم الثقالية وعلى الرمز إليه بالحرف ك. أما ثابت التناسب، أي النسبة بين ثقل الجسم ث وكتلته ك، فتسمى الثقالة جـ، وهي مقدار يتغير من مكان إلى آخر، ويقدر بالنيوتن لكل كيلوغرام، ويعني هذا أن
، وكتابة هذه العلاقة على النحو ث = ك.ج (1)، تقابل تماماً العلاقة التحريكية التي تُعطي تغير سرعة جسم، أي تسارعه تع، بفعل القوة ق، المؤثرة فيه مع كتلته المسماة الكتلة العطالية inert كَ، وهي العلاقة: ق = كَ تع (2). وهذا يعني أن الجسم الساقط سقوطاً حراً يكتسب تسارعاً مقداره جـ، ومن ثم يُعدُّ جـ تسارع الثقالة في المكان المعيَّن، ويقدَّر حينئذ بالمتر لكل ثانية في الثانية. وقد تبين من تجارب أجريت حديثاً أن: ك = كَ بدقة بلغت رتبة عالية، ورمز إليهما برمز واحد (ك).وإذا كان الجسم على الأرض ساكناً، فإن قيمة شدة الثقالة جـ لا تعود إلى قوة واحدة بل إلى قوتين، أولاهما، التي تؤلف القسم الأساسي، هي قوة الجذب النيوتني المعطاة بالعلاقة:
حيث ج ثابت الجاذبية العام، نق نصف قطر الأرض المتوسط، كـ كتلة الأرض. أما القوة الثانية فهي القوة المركزية النابذة الناجمة عن دوران الأرض حول محورها الجغرافي، وتُعطى عند خط العرض ع بالعلاقة ق= ك سه2 نقع (4)، حيث سه: السرعة الزاوية، نقع نصف قطر الدوران عند خط العرض ع.
وعلى الرغم من أن هاتين العبارتين مختلفتان اختلافاً كبيراً. فإنهما تتناسبان طرداً مع القيمة الوحيدة المقبولة للكتلة ك، وهذا يتيح التركيب المتجهي للشدتين الموافقتين، ويعطى اتجاه الشاقول في مكانٍ ما باتجاه الثقالة.
وتتزايد قيمة القوة المركزية النابذة من الصفر عند القطبين حتى 3.385سم/ثا2 عند خط الاستواء. وقد أطلق على الوحدة سم/ثا2 الاسم غال تكريماً للعالم غاليليو. ومن الأسباب التي تؤدي إلى تغير قيمة جـ مع خط العرض إضافة إلى القوة المركزية، وهي الكبرى أثراً، البعد عن مركز الأرض واختلاف توزع الكتل في القشرة الأرضية ووجود فلزات أو زيوت أو مواد أخرى كتلتها الحجمية أكبر من الكتلة الحجمية الوسطى للأرض أو أصغر منها.
القياسات المطلقة للثقالة والقياسات النسبية
تعتمد هذه القياسات على مشاهدة اهتزازات النواس وعلى مشاهدة سقوط جسم سقوطاً حراً. ففي حالة النواس يُستخدم نواس بسيط مؤلف من كرة معدنية صغيرة كتلتها (ك) معلقة بخيط غير قابل للمط طولـه ل. فالقـوة التي تحرك النواس باتجـاه الشـاقـول هي:
ق = ل2جـ يه، حيث يه زاوية الخيط مع الشاقول. وتُكسب هذه القوةُ الكتلة ك تسارعاً تع يُعطى عندما تكون يه صغيرة بما يلي:
وتدل هذه العلاقة على أن النواس يهتز بحركة توافقية بسيطة يُعطى دورها (د) بالعلاقة:
، أي أن دور النواس لا يتوقف على مادته، فالنواسات البسيطة التي لها الطول نفسه تكون أدوارها واحدة في المكان الواحد.  مبدأ قياس الثقالة جـ قياساً مطلقاً بالطريقة التداخلية |
وقد استُخدمت أجهزة أيسر استعمالاً تسمى مقاييس الثقالة gravimeters، وهي تعتمد على معادلة ثقل جسم بقوة أخرى مثل قوة نابض مشدود. وما يقاس حينئذ هو الوضع اللازم لإعادة وضع توازن المجموعة المتحركة إلى نقطة ثابتة؛ وتعتمد المسألة كلياً على ثابت قوة النابض. وأكثر ما تُستخدم هذه المقاييس لإيجاد الفروق بين قيم حـ في محطات متتابعة، ويمكن أن تكون دقتها عالية تصل إلى نحو 0.01 ملي غال. وتمتاز هذه الأجهزة بأن القياس بها بسيط وسريع، وأنه يسهل نقلها من مكان إلى آخر، وهذا أتاح إجراء عدد كبير من القياسات في أماكن مختلفة من العالم.
لكن قياس جـ قياساً مباشراً يُنَفَّذُ بمشاهدة سقوط جسم سقوطاً حراً يخضع للقانون:
، حيث س مسافة السقوط، ز مدة السقوط، سر السرعة الابتدائية للجسم. وقد أمكن حديثاً إجراء قياسات دقيقة لمددٍ فاصلة (ز) قصيرة جداً، ومسافات (س) في الوقت نفسه باتباع طريقة عُرف مبدؤها منذ حين.ففي جهاز المكتب الدولي للمقاييس والموازين يُقذف الجسم من الأسفل إلى الأعلى شاقولياً وهو يحمل مرآة ذات شكل مناسب (موشورية أو مكعبية) ينعكس عنها شعاع ضوئي ليزري شاقولي يتداخل مع شعاع آخر في جهازٍ استُوحي من مقياس ميكلسون التداخلي. وتُقاس المدة (ز) اللازمة لاختفاء الأهداب باستعمال مضاعف فوتوني. وتصل دقة قياس جـ بهذه الطريقة التداخلية إلى 0.01 ملي غال، ويمكن إعادة التجربة على نحو متصلٍ تقريباً.
وقد أُجريت هذه القياسات المطلقة للثقالة في أماكن مختلفة من سطح الأرض وأمكن تحديد عددٍ من قيم جـ المرتبطة بمواقع معينة، وقد بلغت الدقة في قياسها ستة أرقام معنوية كما هو مبين في الجدول 1.
| الموقع | خط العرض | جـ سم/ثا2 غال |
| منطقة القنالجامايكة برمودا كمبردج غرينلند |
9 ْ18 ْ 32 ْ 42 ْ 70 ْ |
978.243978.591 979.806 980.398 982.534 |
| الجدول (1) | ||
أما القياسات النسبية فهي سلسلة قياسات أو تسجيلات متواصلة تجري في مكان واحد لدراسة تغيرات قيم جـ بتأثير الأسباب المشوشة المتغيرة مع الزمن، ولا سيما تلك التي تُعزى إلى ظاهرة المد والجزر التجاذبية الناجمة عن جذب الشمس والقمر أو إلى عدم انتظام كثافة الطبقات التي تحت سطح الأرض. وينتج من ذلك انحرافات ضئيلة دورية للشاقول في المكان الذي يجري القياس فيه. وتجري هذه القياسات النسبية باستعمال نواسات لا يتبدل شكلها مثل النواس القابل للقلب العكوس، أو باستعمال أجهزة تكون تشوهاتها ناجمة كلياً عن المرونة.
انعدام الوزن
ينعدم وزن الشيء عندما يطفو في الماء بتأثير دافعة أرخميدس، ولكن انعدام وزن كائن حيٍ لا يكون حينئذٍ حقيقياً إذ يقتصر تأثيره على انتقاله إلى عضويات الكائن الداخلية بدون أن يُلغي قوى ارتباطها بالعضويات المجاورة لها. فتمارين الغطس في المسابح التي يقوم بها رواد الفضاء لا تحقق إلا انعدام وزن إجمالي يفيد في الألعاب الرياضية الخاصة بالحركات البطيئة لكنها لا تحقق الشروط الفيزيولوجية لانعدامٍ حقيقي للوزن يتطلب أن يطال التأثيرُ كُلَّ نقطةٍ من الكائن؛ ولا يتحقق ذلك إلا عندما تتساوى القوة المركزية النابذة الناجمة عن دوران مركبة فضائية مع جاذبية الأرض في منطقة النهاية الصغرى للجذب الأرضي القمري؛ ويمكن أن يحدث انعدام الوزن لوقت قصيرٍ في حالة سقوط طائرة.
وقد تبين أن رواد الفضاء يعانون، حين يكونون عرضة لانعدام الوزن، اضطراباتٍ فيزيولوجية منها هبوط في معدل ضربات القلب والتنفس، ونقصان مطرد في وزن الجسم وكالسيوم العظام خلال رحلات لمدة وجيزة، ويحدث عكس ذلك بعد العودة إلى الأرض. وقد أُجريت دراسات كيميائية حيوية بينت أن على رائد الفضاء أن يقوم بتدريبات معينة لا تقل عن 40 يوماً، باستعمال أجهزة مصممة تصميماً مناسباً كي يستطيع الرائد أن يحافظ على صحته عند انعدام وزنه.
طاهر تربدار