كيف توصل نيوتن لقانون الجاذبية وما هي تطبيقاته؟

كيف توصل نيوتن لقانون الجاذبية وما هي تطبيقاته؟

تقول القصة الشهيرة أنه بينما كان نيوتن جالسًا تحت شجرة التفاح. سقطت تفاحة على رأسه وظل يتساءل عن السبب وراء وقوع تلك التفاحة عموديًا على الأرض ولمَ لم تصعد لأعلى مثلًا. وبعدها صاغ نيوتن نظريته عن الجاذبية -الشهيرة- تقريبًا عام 1665 أو 1666. لذا في هذا المقال سنتعرف على تاريخ الجاذبية الذي أوصلنا لأشهر المعادلات الرياضية في التاريخ. وهي معادلة نيوتن للجاذبية وكذلك عن أهمية هذه المعادلة وتطبيقاتها وهل قصة تفاحة نيوتن حقًا مختلقة؟

محتويات المقال :

نبذة عن تاريخ وتطور الجاذبية

على الرغم من أن نيوتن له الفضل في الوصول إلى القانون الشهير للجاذبية المستخدم إلى يومنا. إلا أن للجاذبية تاريخ طويل حقًا فيه علماء كثيرين تفكروا في ماهيتها قبل نيوتن. فمنذ بداية القرن السادس عشر، نشأت وجهات نظر وتطورات من ناحية الظواهر الفيزيائية مثل فكرة التركيب الذري للكون. ويُعدُّ ديموقراطيس من أكثر الفلاسفة المؤثرين وأحد مؤسسي المدرسة الذرية في الفلسفة، والتفكر في المفهوم الذري لطبيعة المادة وأنواع الذرات المختلفة التي تتحرك في الفراغ والتفاعلات بين الذرات وتأثيرها. كذلك في هذا العصر تم توضيح فكرة الفراغ والذرات والتصادمات بينها، فمثلًا وضح «لوكريتيوس-Lucretius» أنه يتم استنتاج الترتيب الزماني و المكاني للظواهر الفيزيائية من خلال طبيعة الذرات وتصادمها داخل الفراغ، أيضًا ذكر مبدأ ثبات المادة وعدم فنائها وذلك ينتمي إلى أساسيات ميتافيزيقيا ديموقراطيس، وبعد ذلك أتت العديد من المفاهيم والتفسيرات للكتلة، فكل ذلك كان بمثابة مقدمات غير مباشرة عن الجاذبية.

مفهوم الكتلة… الباب للجاذبية

أتت العديد من التفسيرات لمفهوم الكتلة فمثلًا يأتي أرخميدس ليصيغ مفهوم الكتلة كما هو مفهوم حديثًا من خلال أطروحاته في الإحصاء والهيدروستاتيكا، حيث يحدد مركز الكتلة وكذلك يصيغ لأول مرة في تاريخ الميكانيكا قانون الروافع مع تطويره طرق لتحديد المساحات والأحجام ذات الطبيعة المعقدة واقترابه من بعض المفاهيم المتعلقة بطبيعة القوى الفيزيائية وقوة الجاذبية.

كذلك أتى «نقولاس الكوزاني-Nicholas of Cusa» ليوضح خصائص الكتلة ولهذا العالم تأثير كبير على فكر «جوهانس كيبلر-Johannes Kepler» الذي قدم مقترحات حول فكرة الجاذبية أثناء بحثه في حركة الكواكب. ومن بعد ذلك وفي نفس الفترة -القرون الوسطى- وضح «جون فيلوبونوس-John Philoponus» لأول مرة أهم مفهوم للزخم والذي يمكن اعتباره رائدًا لمفهوم غاليليو عن القصور الذاتي، إذ تتناول نظريته كل من مفهوم الكتلة والحركة، لذا يمكن اعتباره مرتبطًا بمفهوم الجاذبية.

وتوصل «جوهانس كيبلر-Johannes Kepler» أيضًا إلى فكرة وجود قوة فيزيائية مسؤولة عن إبقاء الكواكب في حركتها حول الشمس وبعدها تطرق لمفهوم الكتلة بشكل أكثر دقة عن من سبقوه، ويقترب من صياغة قانون الجاذبية، وعلى الرغم من عدم توصله له إلا أن عمله أحد أضلاع المثلث المهمة لنظرية الجاذبية لنيوتن.

من علم الحركة لقانون نيوتن!

يأتي دور العالم «جاليليو جاليلي-Galileo Galilei» ليساهم في الجانب الحركي لحركة الأجسام المادية والتي تنشأ بالأساس تحت تأثير قوة ثابتة مع رفضه لأي تخمين نظري حول الجوهر الحقيقي لمصطلح القوة، وأفكاره هذه أيضًا أحد الأضلاع المساهمة في نشأة قانون الجاذبية.

بعد ذلك ينشر نيوتن كتابه الشهير المبادئ الرياضية للفلسفة الطبيعية لأول مرة في عام 1687. الذي يقدم فيه الوصف الحركي والديناميكي للظواهر الفيزيائية فيما يتعلق بحركات وتفاعلات الأجسام المادية، ويستطيع نيوتن إعادة صياغة جميع قوانين كيبلر الثلاثة. كما أنهت نظرية الجاذبية لنيوتن كل معارضة لعمل جوهانس كيبلر أي لقوانينه الثلاثة لحركة الكواكب.

كذلك اعتبر نيوتن الوقت مفهومًا فيزيائيًا أساسيًا، فيعيد عمله صياغة مفاهيم الفضاء والوقت والحركة والكتلة في طبيعتها القصورية والجاذبية ويمهد الطريق نحو الوصف المادي الحديث للواقع. كما يقدم مفهوم القوة في استخدامها الحديث؛ لوصف تفاعل الجاذبية ويميز بين العديد من أنواع القوى الفيزيائية.

إضافة لتوسيعه وجهات نظره حول القضايا العلمية المركزية مثل النظرية المعرفية والمنهجية والقضايا التجريبية. وكذلك القضايا الميتافيزيقية واللاهوتية والتي كان لها دور في تشكيل مفهوم نيوتن عن الطبيعة. وأخيرًا إدراكه المشكلات المفاهيمية وخاصة مشكلة تعريف القصور الذاتي للجسم المادي ومفهوم الفعل عن بُعد.

قصة التفاحة.. ما بين الحقيقة والاختلاق؟

تتيح الجمعية الملكية في لندن مخطوطة أصلية تصف كيف اكتشف نيوتن الجاذبية بعد أن شاهد تفاحة تسقط من شجرة في حديقة والدته حينما كان ناظرًا يتأمل من النافذة المطلة على الحديقة، ولكن لم يُروي أنها سقطت على رأسه. والناقل لهذه الرواية هو عالم الآثار ويليام ستوكلي وهو الكاتب للسيرة الذاتية لإسحاق نيوتن. حيث حينما كان معه في لقاء ما، خرج كل منهم بعد العشاء واحتسوا مشروبًا ما في الحديقة تحت أشجار التفاح. وقال له نيوتن أن الموقف الواقعين فيه الآن هو نفسه حينما خطرت في ذهنه فكرة الجاذبية. وقد روى كذلك تلك القصة فولتير الذي قيل بأنه سمعها من كاثرين بارتون ابنة أخت نيوتن وزوجها جون كوندويت وهذا يرجح أنه ربما تكون تلك القصة التي رواها نيوتن صحيحة.

ما هو قانون نيوتن للجاذبية وعلامَ ينص؟

يبيّن لنا قانون نيوتن للجاذبية كيف تتجاذب الأجسام -في الكون- ذات الكتلة مع بعضها البعض. وينص على وجود قوة تجاذب بين أي جسمين في الكون، وهذه القوة تتناسب طرديًا مع حاصل ضرب كتلتي أي الجسمين وتتناسب عكسيًا مع مربع المسافة بينهما.

قانون الجاذبية

وتمثل:

F قوة التجاذب بين الأجسام.

m1, m2 هي كتل الأجسام.

G هو ثابت الجذب العام أو ثابت الجاذبية.

ما هي أهمية وتطبيقات هذا القانون؟

لولا الجاذبية لما كنت تقرأ هذا المقال! فأنت ثابت على الأرض ممسكًا هاتفك دون أن تطير أو يطير هاتفك مثلًا، فهذا بفضل الجاذبية! وهذا مثال بسيط، فيُعدّ قانون الجاذبية أساسيًا في الفيزياء الكلاسيكية، إذ يفسر العديد من الظواهر من سقوط التفاحة من الشجرة إلى دوران الكواكب حول الشمس والقمر حول الأرض. ومن تطبيقاته الشهيرة في الفلك أنه يمثل أهمية قصوى في حساب قوة الجاذبية للكواكب أو في حساب مسار الأجسام الفلكية عامة والتنبؤ بحركتها.

نهايةً -عزيز القارئ- لولا اكتشاف نيوتن للجاذبية وقانونه لمَ توصل العلم إلى مهو عليه الآن. حيث يدخل استخدام هذا القانون في الرياضيات والفيزياء خاصة والتي بدورها ترتبط مع باقي العلوم المختلفة وتساهم في تقدمها.