الوسم: الجاذبية

تؤثر البالستيات في العديد من مجالات الدراسة، والتي تتراوح من تحليل منحني مسار كرة البيسبول إلى تطوير أنظمة توجيه الصواريخ في الجيش. [2]

لنتعرف في هذا المقال على علم المقذوفات ومجالات دراسته.

علم «البالستيات-Ballistics» (القذائف)

هو العلم الذي يدرس حركة وتأثير المقذوفات. ويقسم إلى عدة تخصصات، وهي البالستيات الداخلية والخارجية، وتبحثان في دفع وطيران المقذوفات. ويسمى الانتقال بين هذين النظامين البالستيات الوسيطة. والبالستيات النهائية، وتدرس تأثير المقذوفات على الأجسام المستهدفة.

و«القذيفة-Projectile» هي الجسم الذي تم إطلاقه أو إسقاطه، والذي يستمر في الحركة بسبب عطالته. ويحدد مسارها بواسطة سرعتها الابتدائية واتجاهها وقوى الجاذبية ومقاومة الهواء. فمثلاً، بالنسبة للأجسام المقذوفة بالقرب من الأرض ومع مقاومة هواء مهملة، يتخذ المسار شكل قطع مكافئ. [1]، [2]

دفع القذائف

تعد البندقية والمحرك الصاروخي مثلًا نوعان من المحركات الحرارية، يحوّلان جزئيًا الطاقة الكيميائية للوقود الدافع إلى طاقة حركية للقذيفة. وتختلف المواد الدافعة عن أنواع الوقود التقليدية من حيث أن احتراقها لا يتطلب الأوكسجين الجوي. ويؤدي إنتاج الغازات الساخنة عن طريق الوقود المحترق إلى زيادة الضغط الذي يدفع القذيفة ويزيد من معدل الاحتراق. كما تسبب الغازات الساخنة تآكل تجويف البندقية.

عندما تشتعل شحنة المادة الدافعة في حجرة البندقية، تحصر غازات الاحتراق بواسطة الطلقة؛ فيرتفع الضغط. وتبدأ الطلقة في التحرك عندما يتغلب الضغط على مقاومتها للحركة. يستمر الضغط في الارتفاع لبعض الوقت ثم ينخفض، وذلك بينما تسرّع الطلقة لتصل إلى سرعة عالية. سرعان ما ينفد الوقود الدافع الذي يحترق بسرعة، وفي الوقت المناسب تخرج الطلقة من الفوهة. وقد سجّلت سرعات تصل إلى 15 كيلومترًا (9 أميال) في الثانية. تعمل البنادق المقاومة للارتداد على تنفيس الغاز عبر الجزء الخلفي من الحجرة لمقاومة قوى الارتداد.

يحدث الانفجار الأولي الذي يسبق خروج الطلقة، ثم يتبعه الانفجار الرئيسي، حيث تطلق الغازات المضغوطة خلف الطلقة. يتخطى التدفق الغازيّ السريع الطلقة لفترة وجيزة وبالتالي قد تعاني من تذبذب شديد. وتسمع موجة الصدمة الانفجارية، التي تنتقل إلى الخارج بسرعة أكبر من سرعة الصوت، كطلقات نارية. وتتسبب الحرارة المتولدة قرب الفوهة في حدوث وميض تصاحبه ألسنة اللهب في المدافع الكبيرة. كما يمكن تثبيت الأجهزة على الفوهة لكتم الانفجار والوميض عن طريق تشتيت موجات الصدمة، ويمكنها تقليل الارتداد عن طريق تشتيت التدفق. [1]

تعرّف البالستيات الوسيطة أو الانتقالية بأنها حالة انتقالية بين البالستيات الداخلية والخارجية قرب الفوهة. إذ يدل انبعاث الغاز من السبطانة أمام القذيفة وتفريغ الغازات الدافعة خلفها على هذه التغيرات الانتقالية. وفي هذا الصدد، فإن التأثير على مغادرة القذيفة للمدفع واستخدام زخم الغازات الدافعة لهما أهمية خاصة. [3]

السقوط الحر للأجسام

لفهم حركة المقذوفات من الضروري أولاً فهم حركة «السقوط الحر-Free Fall» للأجسام، وهي أجسام نسقطها ببساطة من ارتفاع معين فوق الأرض. في أبسط الحالات، عندما تكون مقاومة الهواء مهملة وعندما تكون الأجسام قريبة من سطح الأرض، بيّن الفلكي والفيزيائي الإيطالي «جاليليو جاليلي-Galileo Galilei» (1564-1642) أن جسمين يسقطان نفس المسافة وفي نفس الفترة الزمنية، بغض النظر عن وزنيهما. تزيد سرعة الجسم الساقط زيادات متساوية في فترات زمنية متساوية. على سبيل المثال، ستبدأ الكرة التي تسقط من أعلى مبنى من السكون، وتزيد سرعتها إلى 32 قدمًا (9.8 مترًا) في الثانية بعد ثانية واحدة، ثم إلى سرعة 64 قدمًا (19.6 مترًا) في الثانية بعد ثانيتين، ثم إلى سرعة 96 قدمًا (29.4 مترًا) في الثانية بعد ثلاث ثوانٍ، وهكذا. وبالتالي، نجد أن التغير في السرعة هو دائمًا 32 قدمًا في الثانية. يعرف التغير في السرعة لكل فترة زمنية بالتسارع وهو ثابت. ويساوي هذا التسارع 1 g حيث يرمز g إلى التسارع الناتج عن قوة الجاذبية الأرضية.

يصبح تسارع الجاذبية g أصغر مع زيادة المسافة عن الأرض. ولكن بالنسبة لمعظم التطبيقات الأرضية يمكن أن نعد قيمة g ثابتة (تتغير فقط بنسبة 0.5٪ مع تغير الارتفاع بمقدار 10 أميال [16 كم]). من ناحية أخرى يمكن أن تختلف «مقاومة الهواء-Air Resistance» اختلافًا كبيرًا اعتمادًا على الارتفاع والرياح وخصائص وسرعة المقذوف نفسه. فمن المعروف أن المظلّيّين يمكنهم تغيير ارتفاعهم بالنسبة إلى المظليين الآخرين ببساطة عن طريق تغيير شكل أجسامهم. ومن المعروف أيضًا أن الصخرة ستسقط بسرعة أكبر من سقوط الريشة. فعند البحث في مسائل المقذوفات، من الضروري فصل التأثيرات الناتجة عن الجاذبية -وهي بسيطة جدًا- والتأثيرات الناتجة عن مقاومة الهواء، وهي أكثر تعقيدًا. [2]

المصادر

[1]

[2]

[3]

تتميز القطط بتصرفات أنيقة تعطيها جاذبية خاصة عن غيرها من الحيوانات. وتعد طريقة شرب القطط واحدة من تلك التصرفات المميزة. فكيف تشرب القطط السوائل وتحافظ على مظهرها في نفس الوقت؟

تتحدى القطط الجاذبية في العديد من المواقف، فنرى مثلًا كيف تسقط من أعلى الطوابق المرتفعة وتنجو. ولكن لا يتوقف الأمر هنا، فالقطط تعرف كيف تستخدم الجاذبية بمثالية حتى عندما يتعلق الأمر بطريقة شربها للسوائل.

اختلاف طريقة القطط في الشرب عن باقي الحيوانات

تحرص القطط على الحفاظ على نظافتها ونظافة ما تشربه كالحليب مثلًا. فنرى مثلًا الكلاب تشرب عن طريق وضع لسانها في الإناء ثم لفه للخلف وغرف المشروب بلسانها كالملعقة. أما القطط فعلى عكس معظم الحيوانات تستطيع أن تشرب دون وضع لسانها داخل المشروب. وبطريقة مماثلة تلف أيضًا القطة لسانها للخلف، ولكن لتلمس فقط سطح السائل. وتسحب القطة لسانها بسرعة كبيرة بمجرد ملامسة سطح السائل لسطح لسانها لتُنشأ بذلك عمود لحظي من السائل. وتعتمد القطط في تلك العملية على مهارتها في موازنة عمود السائل. [1]

تعرف القطط اللحظة التي يجب عليها أن تغلق فمها لتشرب السائل، فليس مبكرًا بحيث تحصل على أكبر كم من السائل ولا متأخرًا بحيث لا تسحب الجاذبية العمود ويعود مجددًا للإناء. ولكن سرعة حركة لسان القط بمعدل أكثر من مرة في الثانية صَعب مهمة اكتشاف ذلك الأمر. [2]

الملاحظة والتحليل

ينظر الباحثون للأمور التي تبدو تقليدية للبعض بعين فضول. فنرى مثلا «رومان ستوكر-Roman Strocker» أثناء تناول فطوره ينظر لقطّه بالصدفة وهو يشرب فيتساءل كيف يفعل ذلك. وليبدأ ستوكر في تحليل الموقف استعان بكاميرة تصوير سريع من معمله وذلك لصعوبة ملاحظة الأمر بعيننا لسرعة حركة لسان القط. استعان ستوكر بمجموعة باحثين آخرين وشاهدوا مجموعة من الفيديوهات المصورة لأنواع أخرى من القطط (كالأسود والنمور وغيرهم من نفس الفصيلة). كانت نتيجة تحليل كل تلك المعطيات أن القطط توازن بين قوة رد الفعل والجاذبية لعمود السائل كما وضحنا من قبل. [3]

توقع سرعة حركة لسان القط وعلاقتها بكم السائل الذي يحصل عليه القط في كل لفة كان أمر رياضي من تحليل مجموعة الفيديوهات. ولكن لدراسة أعمق لتلك الظاهرة صنع العلماء روبوت عبارة عن لوح زجاجي يتحرك بسرعات محددة يحاكي لسان القط. وكان اللوح عندما يلمس سطح الماء ويرتفع بسرعة عالية يصنع عمود من السائل تمامًا مثل القط. [1] ولكن لأي مدى يمكن أن نصل بتلك الدراسة؟

الاستفادة المستقبلية من تلك الظاهرة

أوضحت التجربة أهمية موقع القط بالنسبة للإناء، فكلما كان القط بعيدًا عن السائل كان أفضل. تزيد فرصة حصول القط على قدر أكبر من المشروب بالبعد أكثر عن السائل، أما قربه يجعل فمه يتبلل ويحجب رؤيته. [1]

تلك الدراسة أيضًا قد تفيد التكنولوجيا الحديثة لصناعة الروبوتات، خصوصًا تلك التي تتعامل مع السوائل. فأنظر عزيزي القارئ كيف من ملاحظة قد تكون تافهة للبعض لأول وهلة أن تكون مصدر تطوير حقيقي حاليًا. فلا تستخف بما تراه حولك من ظواهر تقليدية، أنظر واسأل فبتلك التفاصيل الصغيرة يتغير العالم.

المصادر

[1] https://www.britannica.com/explore/savingearth/the-physics-of-cat-lapping

[2] https://www.youtube.com/watch?v=vP-ozt0WJvQ

[3] https://news.mit.edu/2010/cat-lapping-1112

تتصرف القطط بطبيعة مميزة عن غيرها من الحيوانات في المواقف الخطيرة. ولكن يختلف الأمر كثيرًا في الفضاء. فما هي الاختلافات التي تظهر عند صعود القطط للفضاء الخارجي؟ وما سبب تلك التغيرات؟ وهل ستسمر مهارة القطط حتى إذا انعدمت الجاذبية؟

تظهر تغيرات في بعض تصرفات القطط في الفضاء، وتحديدًا المهارات التي تتميز بها عند السقوط.

مهارات تتميز بها القطط

يبدو رد فعل القطط في كثيرٍ من الأحيان كما لو أنه يخالف قوانين الطبيعة أو كأنه حالة تشذ عما نعلم. فمثلًا تسقط القطط من أعلى الطوابق المرتفعة في ظاهرة تسمى «متلازمة الأماكن الشاهقة – High-Rise Syndrome». والغريب في تلك الظاهر هو سقوط القطط بأمان كلما زاد ارتفاع الطابق أكثر. وتعتمد إستراتيجية القطط في هذه الظاهرة على استخدامهم الأمثل لطبيعة جسمهم لتتوافق مع قوة الجاذبية. [1]

تستطيع القطط أيضًا أن تسقط دائمًا على قدميها في ظاهرة تسمى «مُنعكَس اعتدال القط-Cat Righting Reflex». ويدور القط في تلك الظاهرة دون أن يتكئ على شيء حتى وإن سقط وظهره متجه مباشرةً نحو الأرض. ومرونة جسم القطط ليست فقط السبب في تلك الظاهرة، فمهارة القطط هي من تتحكم باستخدام جسمها لتفادي أي خطورة. ولكن هل ستستمر مهارة القطط حتى إذا انعدمت الجاذبية؟ [2]

القطط عند انعدام الجاذبية

استمر العلماء على مدار سنوات صعود الإنسان للفضاء بدراسة ما استطاعوا من حيوانات أو حشرات في تلك الظروف. وكانت أول قطة تصعد للفضاء تسمى «فيليسيت – Félicette» بواسطة برنامج الفضاء الفرنسي عام 1963.[3] وتعد فرنسا ثالث الدول التي تصطحب حيوانات للفضاء بعد الاتحاد السوفيتي والولايات المتحدة الأمريكية. فمن قبل صعود القطط للفضاء كان قد سبقهم كلاب وقرود وأنواع من الحشرات. ولكن لم تقتصر الدراسات على فقط الصعود للفضاء، فكانت برامج محاكاة انعدام الجاذبية قبل ذلك تفي لدراسة تصرفات الحيوانات عند انعدام الجاذبية. وتقوم برامج محاكاة انعدام الجاذبية على فكرة التحليق عند مدى ومسار معين يتيح للركاب بمحاكاة انعدام الجاذبية لمدة في حدود ال 30 ثانية.[4]

وتختلف ردود أفعال الحيوانات عند انعدام جاذبية. فمثلًا بعضهم لا يتحرك منتظرًا أن تنتهي فترة انعدام الجاذبية مثل الوزغ (أبو بريص – البرص). وأنواع آخري كالأسماك وبعض الحشرات يتعاملون بشكل ممتاز في ذلك الموقف، حيث يسترخون تمامًا حتى يدركوا أنسب وضع يجب أن يكونوا عليه. وأخيرًا القطط وبعض الطيور كالحمام تبدأ في الذعر والتحرك في اتجاهات مختلفة وكأنها على عكس ما نعرفها لا تعرف ماذا يجب أن تفعل.[5]

هل حقًا تفقد القطط مهاراتها في الفضاء؟

لاحظ العلماء أثناء تجربة القطط في محاكاة انعدام الجاذبية أن مهارة مثل منعكس اعتدال القطط لم تعد موجودة في الفضاء. فعلى عكس ما يحدث في الأرض، القطط في الفضاء لا تستطيع أن تدور بجسمها لتضمن هبوط آمن. ولكنها تحاول أن تكمش نصفها الأمامي وتفرد الجزء الخلفي في محاولة منها للدوران نحو اتجاه الجاذبية. ويعتقد العلماء أن القطط تفقد الإحساس بالجاذبية ولا تعلم الى أي اتجاه يجب أن تدور.[5] وبعد إدراكها أنها ممكن أن تكون في خطر تبدأ بالذعر ولا تستطيع التحكم في حركتها. فلا تعلم القطط حينها أين أرضها أو أي اتجاه سيكون مأمنها. ولكن شاركنا برأيك عزيزي القارئ لما تختلف ردود فعل كل حيوان عن غيره عند انعدام الجاذبية؟

المصادر

[1] D. Nasaw, “Who, What, Why: How do cats survive falls from great heights?,” BBC News, Washington, 2012.

[2] “Cremieux, J; Veraart, C; Wanet, M.C.,” Experimental Brain Research, vol. 54, no. 3, 1984

[3]Burgess, Colin; Dubbs, Chris (2007). Animals in Space: From Research Rockets to the Space Shuttle. Springer-Praxis. ISBN 978-0-387-36053-9.

[4] W. Xiu, K. Ruble and O. Ma, “A reduced-gravity simulator for physically simulating human walking in microgravity or reduced-gravity environment,” 2014 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), 2014, pp. 4837-4843, doi: 10.1109/ICRA.2014.6907567.

[5] Mori S. Disorientation of animals in microgravity. Nagoya J Med Sci. 1995 Dec;58(3-4):71-81. PMID: 8725490.

تنجو القطط عند السقوط من المرتفعات ؟

تسقط القطط من نوافذ الطوابق المرتفعة ثم تنهض وكأن شيئًا لم يحدث، فهل هي صدفة؟ أم أنها حقًا تمتلك سبعَ أرواح كما يشاع؟

تفسير ما يحدث بالضبط يتطلب أولاً فهم ما معنى أن يسقط جسم ما في الأساس، وماذا يحدث أثناء سقوطه؟ وما الذي يتأثر به الجسم الساقط؟

معنى السقوط الحر

عندما يسقط جسم ما (وفي حالتنا هو القط) فإنه لا يتأثر إلا بقوتين إحداهما الجاذبية التي تجذبه اتجاه الأرض، والأخرى هي قوة المقاومة «مقاومة الهواء» التي تحاول أن تعيق سقوطه لأسفل.

تَجذِب الأرض الأجسام شديدة القرب منها بقوة جاذبية تعتمد فقط على كتلتها «القوة = الكتلة مضروبة في ثابت ما» فكلما زادت كتلة الجسم زادت قوة جذب الأرض عليه. أمّا ذلك الثابت فيسمى «عجلة الجاذبية الأرضية»، وذلك المصطلح يعني أن قوة الجاذبية تعمل على تسارع الجسم الساقط بقيمة ثابتة، بمعنى أخر، سرعة الجسم الساقط تزيد بقيمة 9.8 عن قيمتها في كل ثانية. [1]

أمّا عن مقاومة الهواء فهي قوة تعتمد على مربع سرعة الجسم، أي أن إذا زادت سرعة الجسم 10 أضعاف قيمتها فإن قيمة المقاومة تزداد 100 ضعف قيمتها. وعلى ذلك، تقل قيمة قوة الجاذبية باستمرار مع زيادة قيمة مقاومة الهواء. حتى نصل إلى نقطة تتساوى فيها قوة الجاذبية مع قوة المقاومة وعند هذه النقطة لا يتسارع الجسم تقريبًا وتُعرف سرعة الجسم حينها ب «السرعة الحدية أو النهائية – Terminal velocity». [1]
ولتوضيح الصورة النظرية لمبدأ السقوط فإن أقرب مثال عملي ملحوظ عليها هو القفز بالمظلات.

سقوط القطط كالقفز بالمظلات

تعتمد قيمة المقاومة أيضًا على مساحة سطح الجسم، فكلما قلت مساحة الجسم قلت المقاومة عليه. ولذلك، فإن رجال المظلات في بداية القفز يتعمدون تقليص مساحة سطح أجسادهم لتزيد سرعتهم ويصلون سريعًا للسرعة النهائية. حينها يستطيع القافز أن يفتح المظلة والتي تزيد من مساحة سطحه بقدر كافٍ يجعل قيمة مقاومة الهواء أكبر من قوة الجاذبية. بعد فتح المظلة يصل القافز لسرعة نهائية أخرى، ولكنها أقل كثيرًا عن سابقتها فتؤمن هبوطه.

ولا تختلف استراتيجية القطط في السقوط كثيرًا عما سبق. فالقطة تُقلِص جسمها في بداية السقوط لتصل إلى السرعة النهائية بشكل أسرع وحينها تفرد جسمها لتزيد من قيمة المقاومة، وبالتالي تقل سرعتها ايضًا لتصل لسرعة نهائية أقل كثيرًا من سابقتها فتجعل من جسمها مظلتها الخاصة. يساعد القطة في ذلك أن مساحة سطحها كبيرة بالنسبة لوزنها فتكون مرحلة السقوط آمنة. كما أن جسم القطط المرن يساعد في تقليص توابع الاصطدام لحظة وصولها للأرض. [2]

وعلى ذلك، فكلما زاد ارتفاع الطابق الذي سيسقُط منه القط كلما زادت فرص سقوطه بأمان.

المشكلة في الطوابق المنخفضة وليست المرتفعة!

الطوابق العليا ستسمح للقط الوصول للسرعة النهائية في وقت كافٍ قبل اصطدامه بالأرض وبالتالي هبوط آمن، أما السقوط من طوابق مُنخفضة تُصعِب فرصة القط للوصول للسرعة النهائية قبل اصطدامه بالأرض. وأثبتت الدراسات أن عدد وفيات القطط يزداد بشكل ملحوظ إذا سقط القط من طوابق بين الطابق ال 5 وال 8، أما إذا سقط من الطابق ال 9 حتى ال 32 فستكون فرصة بقائه على قيد الحياة أكثر بكثير. [4][3] ولكن قدرة القط على البقاء حيًا لا تعني الإهمال في سلامته، فعلى الرغم من بقائه حيًا إلا أنه يتألم وقد يُصاب بجروح خطيرة. فمن واجبنا أن نُحافظ على سلامتهم وأرواحهم البريئة.

ويبقى السؤال الأهم هنا، كيف للقط أن يُدرك بوجود سرعة نهائية؟ وكيف يعرف القط أن هذا ما يجب عليه فعله للنجاة؟

المصادر
[1] D. Halliday, R. Resnick and J. Walker, “Force And Motion – II; The Drag Force And Terminal speed,” in Fundamentals of physic, Hoboken, John Wiley & Sons, 2003, pp. 121-124.
[2] How do cats survive falls from great heights
[3] the falling cat phenomenon
[4] Why cats have nine lives.

يُنسب الفضل له في بدء الثورة العلمية، وكان من أوائل الأشخاص الذين افترضوا أن الكون تحكمه قوانين يمكن التعبير عنها رياضيًا، تطول لائحة إنجازاته، وسيبقى أثر قوانينه باقيًا حتى نهاية البشرية. فمن هو إسحاق نيوتن وما هي إنجازاته؟

نشأته

ولد نيوتن في 25 ديسمبر عام 1642م في لينكولنشاير ،انكلترا، حمل اسم أبيه الذي توفي قبل قدومه بثلاثة أشهر.
نشأ نيوتن في أسرة صغيرة فقيرة، تزوجت والدته عندما بلغ الثالثة من عمره، وعندما أتم الثانية عشرة توفي زوج والدته وأُجبر نيوتن على ترك المدرسة. حاولت والدته تعليمه الزراعة، إذ كانت تطمح لجعله مزارعًا ماهرًا، ولكن ولحسن الحظ باءت جميع جهودها بالفشل وعاد نيوتن إلى المدرسة.

شبابه

شُخِّص نيوتن بإصابته بمتلازمة أسبرجر ،وعلى الرغم من ذلك استطاع اجتياز مرحلة التعليم المدرسي بدرجة امتياز. تابع تعليمه الجامعيّ، وبعد فترة وجيزة من تخرجه تفشى وباء الطاعون في معظم أرجاء المملكة وأغلقت الجامعات ومراكز التعليم. وفي ظل تفشي الوباء وضع نيوتن أهم القوانين التي لاتزال مستخدمة حتى عصرنا هذا.

نيوتن والجاذبية

تقول الأسطورة أن نيوتن رأى تفاحة تسقط من أعلى الشجرة في حديقته، فلمعت فكرة الجاذبية في ذهنه و أدرك أن ذات القوة التي أثرت على التفاحة يمكن أن يكون لها تأثير على الكواكب والمجرات. وبعد عدّة دراسات وبالعودة إلى قوانين غاليليو ويوحنا وغيرهم من العلماء توصل نيوتن لفرضية تعرف اليوم باسم قانون الجذب العام والذي ينص على:

توجد قوة تجاذب بين أي جسمين في الكون، تتناسب طرديًا مع حاصل ضرب كتلتيهما، وعكسيًا مع مربع المسافة بين مركزيهما.

قدم هذا القانون تفسيرات كثيرة للعديد من الظواهر التي تحدث على مستوى الكون وعلى مستوى الأجرام السماوية والكواكب في شتى المجرات، ومن بينها:

1. تقديم تفسير للنسق الدوراني الذي يحدث بين الكواكب والنجوم والمستعرات التي تكون على وشك الاندثار والتفكك.
2. فسر قانون الجذب الكولومي الذي يحدث على مستوى الأنوية الذرية وعلى مستوى الجزيئات الذرية.
3. ساعد في فهم ماهية السقوط الحر والثقالة الجسيمية.
4. فسر ماهية الجذب بين محتويات الكون.

قوانين نيوتن للحركة

هي ثلاثة قوانين فيزيائية تفسر حركة الأجسام ، وتربط هذه القوانين القوى المؤثرة على الجسم بحركته.

القانون الأول

يبقى الجسم الساكن ساكنًا، ويبقى الجسم المتحرّكمتحركًا، ما لم تؤثر عليه قوى ما.
وبناءاً على ذلك:

• سيظل الجسم الساكن ساكنًا ما لم تؤثر عليه قوى خارجية.
• لا تتغير سرعة الجسم المتحرك طالما لم تؤثر عليه قوة خارجية.
• تسمى هذه الحالة الحركة المنتظمة. يظل الجسم على حالته ما لم تؤثر عليه قوة خارجية. إذا كان في حالة سكون سيظل في هذه الحالة. إذا كان الجسم متحركًا فإنه سيستمر في حركته بدون تغير في اتجاهه أو سرعته.
• تفرض مفاهيم القانون الأول وجود إطار مرجعي واحد على الأقل يسمى إطار نيوتن، ولكي يتحرك الجسم في حركة منتظمة بالنسبة إلى الإطار المرجعي يجب أن تكون مجموع القوى المؤثرة عليه تساوي صفر.

القانون الثاني

إذا أثرت قوة على جسم ما فإنها تكسبه تسارعًا، يتناسب طرديًا مع قوته وعكسيًا مع كتلته.
ويمكننا القول بأن القوة المؤثرة على الجسم ينتج عنها تسارع في حركة الجسم، وإذا كان الجسم في حالة تسارع فإنه يؤثر عليه قوة.

القانون الثالث

لكل فعلٍ رد فعل، مساوٍ له في المقدار ومضاد له في الاتجاه.
ولتبسيط القانون يمكننا القول أنه عندما تؤثر قوة على جسم فلا بد من وجود قوة أخرى مصاحبة لها مساوية لها في المقدار ومضادة لها في الاتجاه.
 استطاع نيوتن  عن طريق القوانين الثلاثة وقانون الجذب العام إثبات صحة قوانين كبلر، و مازالت هذه القوانين من أهم القوانين الفيزيائية المستخدمة حتى الآن.

نيوتن والخيمياء

كشفت أوراق نيوتن التي أعيد اكتشافها مؤخرًا عن اهتمامه السري  بالخيمياء (تحويل المعادن الأساسية إلى ذهب)، حيث افترض نيوتن أن ذرات العناصر تتكون من جسميات صغيرة صلبة، وحاول فهم طريقة التفاعلات الكيميائية  وذلك عن طريق فهم آلية الارتباطات التي تحصل بين العناصر الكيميائية.
وتقول بعض المصادر بأن نيوتن كرس معظم أوقات فراغه في وقت لاحق من حياته في تجارب كيميائية غير مثمرة.

وفاته

في أواخر حياة نيوتن ، كتب الكثير عن اللاهوت. حصل على لقب فارس من ملكة إنجلترا عام 1705. توفي نيوتن لاحقًا عام 1727م بسبب التسمم بالزئبق، والذي من المحتمل أن يكون ناتجًا عن تجاربه غير الناجحة في مجال الخيمياء.

المصادر
neatorama
scienceworld
futurism
galileoandeinstein

يقول المثل الإنكليزي «Watched pots never boil» أي أن الأواني المرصودة لا تغلي أبداً، وفي جميع الأحوال؛ لما قد نرصدها ونحن نعلم يقينًا كيف ستبدو عند الغليان؟ ولكن هل يختلف ذلك المشهد قليلًا في الفضاء الخارجي؟

إليك ستة أشياء من حياتنا اليومية –بما فيها غليان الماء- التي تحدث بشكل مختلف كليًا عند مدار الأرض المنخفض مع تفسيراتها العلمية:

تنتج المياه فقاعة كبيرة عند الغليان

عندما  تغلي المياه في الظروف الطبيعية على الأرض تنتج عددًا كبيرًا من فقاعات بخار الماء الصغيرة، أما في الفضاء؛ تصدر المياه المغلية فقاعةً كبيرةً ووحيدةً. [1]

لم يستطع العلماء توقع ما قد يحدث عند غليان المياه في ظروف الجاذبية الضعيفة، ويعود ذلك لشدة تعقيد ديناميك الموائع والتنبؤ بحركة السوائل. إلى أن أجريت تجربة على متن مركبة فضائية عام 1992 والتي وضحت لنا عملية الغليان تلك. [2]

فيما بعد شرح الفيزيائيون أن حالة الغليان الغريبة هذه تعود لغياب تأثيري «الحمل الحراري-Convection»، وهو الحركة التي تحدث داخل السائل جاعلةً جزأه الأكثر حرارة والأخف يرتفع، بينما ينخفض الأثقل والأبرد، «وقوة الطفو- Buoyancy»؛ التي تدفع أي جسم يُغمر في سائل ما، ذلك أن كلا التأثيرين ناتجٌ عن الجاذبية. فعلى الأرض؛ يسبب التأثيران السابقان ما نراه من اضطراب عند غليان الماء. [1]

كما يمكننا الاستفادة من تجربة الغليان هذه. وبحسب «NASA Science News»؛ اكتشافنا لكيفية غليان السوائل ستسهم في تطوير أنظمة التبريد في المركبات الفضائية. وقد تفيد في تصميم محطات توليد طاقة؛ باستخدام ضوء الشمس لغلي الماء وإنتاج البخار الذي سيدير عنفات توليد الكهرباء.  [2]

لهبٌ دائري

عند إشعالك شمعةً على الأرض؛ بإمكانك رؤية اللهب الناتج يرتفع ليصبح متطاولًا. أما في الفضاء يتحرك اللهب متوزعًا في كل الاتجاهات؛ فنحصل على كرة من اللهب! وإليك السبب:

بدايةً؛ تزداد كثافة الهواء كلما اقتربنا من سطح الأرض نتيجة قوة الجاذبية التي تسحب جزيئات الهواء نحو المركز. والعكس صحيح؛ يصبح الغلاف الجوي أقل سماكةً كلما ارتفعنا عن السطح؛ فيقل الضغط الجوي تدريجيًا. رغم أن فرق الضغط الجوي بين إنش وآخر ضئيل جدًا؛ إلا أنه المسؤول عن شكل شعلة الشمعة.

على الأرض؛ يسبب فرق الضغط تأثيرًا يعرف ب «الحمل الحراري الطبيعي-Natural convection». فعندما يسخن الهواء المحيط بالشعلة؛ يتمدد ويصبح أقل كثافة من الهواء البارد المحيط، وبينما تحاول جزيئات الهواء الساخنة التمدد للخارج تقوم الأخرى الباردة بدفعها نحو الداخل. وبما أن الجزيئات الباردة تكون أكثر عدداً أسفل الشعلة مما في أعلاها؛ تواجه الشعلة مقاومة أقل في أعلاها وبالتالي تتجه نحو الأعلى.

أما في الفضاء وفي ظل غياب الجاذبية؛ تواجه الشعلة مقاومة متساوية من كل الاتجاهات، وبالتالي تتخذ شكلًا دائريًا. [3]

تتكاثر الباكتيريا أسرع، وتصبح مميتةً أكثر

أظهرت ثلاثون سنة من الأبحاث العلمية أن مستعمرات البكتيريا تنمو أسرع بكثير في الفضاء. مثلًا؛ مستعمرات «إي-كولي الفضائية- Astro-E. coli» (جرثومة الإشريكية القولونية) نمت أسرع بمرتين من قرينتها على الأرض. [4]

بالإضافة إلى ذلك أصبحت بعض الأنواع الجرثومية أخطر في الفضاء. في عام 2007 أجريت تجربة لقياس نمو جرثومة «السالمونيلا- Salmonella» على متن مركبة الفضاء «أطلنطس-Atlantis»، وأظهرت أن بيئة الفضاء غيرت 167 من التعبيرات الجينية* عند الجرثومة.  أظهرت الدراسات فيما بعد أن هذه التغيرات جعلت السالمونيلا الفضائية قادرة على إصابة الفئران بالمرض أكثر بثلاث مرات من السالمونيلا العادية.

تفسر عدة فرضيات ذلك النمو السريع للبكتيريا عند انعدام الجاذبية. ببساطة؛ قد تجد مساحة أكبر للنمو عندما تعوم في الفضاء؛ بينما تعلق في أسفل «طبق بيتري-Petri dish»** على الأرض.

كما يعتقد العلماء أن تغير السالمونيلا يعود لبروتين HFq الذي يؤدي دورًا رئيسًا في التحكم بعملية التعبير الجيني. تتعرض الخلايا الجرثومية في الفضاء لضغط ميكانيكي ناتج عن تغير حركة السوائل داخلها في الجاذبية الضئيلة، ويحاول بروتين HFq  التعايش مع ذلك مما يجعل الخلايا أكثر سميّةً.

يأمل العلماء الاستفادة من هذا الاكتشاف، خاصةً التعرف على استجابة السالمونيلا للضغط على الأرض، كالذي يسببه الجهاز المناعي لشخص مصاب بها مثلًا. [5]

• **طبق بيتري: هو طبق دائري شفاف ذو غطاء مسطح يستخدم لتربية الكائنات الحية الدقيقة.
• *«التعبير الجيني-Genetic expression»: هي عملية اصطناع مواد في الخلية باستخدام المعلومات الموجودة في المورثات.

تختلف رائحة الأزهار في الفضاء

تنتج الأزهار مركبات عطرية مختلفة عند نموها في الفضاء؛ وبالتالي تصبح رائحتها مختلفة جدًا. يعود ذلك لتأثير الظروف البيئية كدرجة الحرارة والرطوبة في نوعية الزيوت العطرية التي تنتجها النبتة. وبما أن هذه الزيوت خفيفة؛ لا شك أنها تتأثر بجاذبية الفضاء كذلك. [6]

كما أنتجت الشكرة اليابانية «شيسيدو-Shiseido» عطرًا من “خارج هذا العالم” سمته «زين-Zen»، احتوى العطر على خلاصة مجموعة متنوعة من الورود تسمى «Overnight Scentsation» التي سافرت على متن المركبة الفضائية «ديسكفري-Discovery» عام 1998 قبل استخلاص الزيوت منها وتكرارها. [7]

التعرق في الفضاء

كما في حالة اللهب والشمعة؛ لا يحدث انتقال حراري طبيعي في حالة انعدام الجاذبية، وبالتالي يحتفظ الجسم بحرارته، فيحاول جاهدًا التعرق لتبريد نفسه. وليصبح الأمر أسوأ؛ يتراكم العرق دون أن يتبخر أو ويسقط في قطرات! كل ذلك يجعل السفر بين النجوم رحلة رطبةً جدًا. [8]

مقلُ عيونٍ مهروسة

يؤدي انعدام الجاذبية لتغيرات في بنية عيون رواد الفضاء وتصبح رؤيتهم ضبابية. حيث تتسطح مؤخرة عيون بعد رواد الفضاء، بينما يعاني أخرون من تورم في أعصابهم البصرية. يحدث ذلك على الأرض بسبب ارتفاع ضغط السوائل في الرأس، ويكون الأمر مشابهًا في الفضاء. حيث ترتفع السوائل في الجسم في غياب الجاذبية التي تسحبها للأسفل، وبالتالي تزداد السوائل في الرأس ضاغطةً على العيون.

بينما يسبب تسطيح العيون رؤية ضبابية عند معظم الناس؛ إلا أنه قد يحسن الرؤية عن المصابين بقصر النظر، والتي تكون عيونهم متمددة بشكل مفرط. إلا أن تورم العصب البصري لن يفيد أحدًا، وقد يسبب العمى إذا لم يعالج بشكل مناسب. [9]

ربما يجب الأخذ بهذه التأثيرات قبل التخطيط لأي رحلة مستقبلية للمريخ وما وراءه؛ خاصةً ما يتعلق بمدة الرحلة. فلا أحد يريد عيونًا مهروسةً أو عمياء!

المصادر:

Phys [1]

[2] nasa_1

[3] nasa_2

[4] JSTOR

[5] nasa_3

[6] nasa_4

[7] nasa_5

[8] Space

[9] SCIELO

live science [10]