دید کلی
تاریخچه
در سال 1965 ، پس از تعطیل شدن مدرسه بخاطر شیوع بیماری طاعون اسحاق نیوتن ، که در آن زمان 23 سال داشت، از کمبریج به لینکلن شایر رفت. او در حدود 50 سال بعد نوشت " … در همان سال (1665) این فکر به نظرم آمد که گرانش نامدار ماه گسترش پیدا میکند … نیروی لازم برای نگه داشتن ماه در مدارش را با نیروی گرانشی در سطح زمین مقایسه کردم و به این نتیجه رسیدم که با دو تقریب خوبی باهم مشابهاند."
ویلیام استوکلی ، یکی از دوستان جوان
اسحاق نیوتن مینویسد، وقتی با اسحاق نیوتن زیر درختان سیب یک باغ مشغول صرف چای بوده است. اسحاق نیوتن به او گفته که ایده گرانش در یک چنین جایی به ذهنش خطور کرده است. استوکلی مینویسد: "او در حالی که نشسته بود و در فکر فرو رفته بود سقوط یک سیب توجهش را جلب میکند و به مفهوم گرانش پی میبرد پس از آن به تدریج خاصیت گرانشی را در مورد حرکت زمین و اجسام مساوی بکار میبرد."
محدوده گرانش
اسحاق نیوتن در کتاب اصول از حد مسائل سیب (زمین و ماه) زمین فراتر رفته و قانون گرانش خود را به کلیه اجسام به شرح زیر تقسیم میدهد.
- جاذبه گرانش میان دو توپ بولینگ اگر چه با روشهای دقیق قابل اندازهگیری است بسیار ضعیفتر از آن است که ما آن را با حواس معمولی خود درک کنیم.
- جاذبه زمین بر ما و اجسام اطراف ما که یک عامل تعیین کننده در زندگی است و فقط با اقدامات فوق العاده میتوانیم از آن رهایی پیدا کنیم. طراحان برنامههای فضایی همواره نیروی گرانشی را به عنوان یک عامل اصلی و تعیین کننده در نظر دارند.
- در مقیاس کیهانی یعنی در قلمرو منظومه شمسی و تشکیل و برهمکنش ستارهها و کهکشانها ، گرانش نیروی غالب است.
قانون جهانی گرانش
نیرویی که دو ذره به جرمهای m
1و m
2 و به فاصله r از هم به یکدیگر وارد میکنند ، نیروی جاذبهای است که در امتداد خط واصل دو ذره اثر میکند و بزرگی آن برابر است با:
F = Gm1m2/r2
G ثابت جهانی است و مقدار آن برای تمام زمین ذرات یکسان است. این
قانون گرانش جهانی نیوتن است. برای اینکه قانون را خوب درک کنیم بعضی خصوصیات آن را یادآور میشویم.
ویژگیهای قانون جهانی گرانش
- نیروهای گرانشی میان دو ذره ربع نیروهای کنش و واکنش هستند. ذره اول نیرویی به ذره هم وارد میکند، به همین ترتیب ذره دوم هم نیز نیرویی به ذره اول وارد میکند که جهت آن به طرف ذره دوم و در امتداد خط و اصل دو ذره است. بزرگی این نیروها مساوی ولی جهت آنها خلاف یکدیگر است.
- قانون گرانش جهانی را میتوانیم به صورت برداری نیز بیان کنیم.
- در قانون گرانشی جهانی بطور ضمنی فرض میشود که نیروی گرانشی میان دو ذره از اجسام دیگر مستقل است و به خواص فضای اطراف آن بستگی ندارد. درستی این فرض به درستی نتایج حاصل از آن بستگی دارد و بر همین مبنا تا کنون تأیید شده است. برخی فیزیکدانان از این واقعیت برای رد امکان وجود حائلهای گرانشی استفاده کردهاند.
ثابت جهانی گرانش
برای تعیین مقدار G نیروی جاذبه میان دو جرم معلوم را اندازهگیری میکنیم. نخستین اندازهگیری دقیق را
لرد کاوندبیش در سال 1798 انجام داد. در قرن 11 نیز
بوتین نیک و
مویز اصلاحات مهمی در این اندازهگیری انجام دادند. در حال حاضر مقدار پذیرفته شده در متر یک SI برای G برابر است با:
G = 6.6720x 10-11
میدان گرانشی
یک حقیقت اساسی درباره گرانش این است که دو جرم بر یکدیگر نیرو وارد میکنند. اگر بخواهیم میتوانیم این موضوع را به صورت برهمکنش مستقیم میان دو ذره جرم دار در نظر بگیریم. این دیدگاه را کنش از دور مینامند. یعنی ذرات از راه دور بدون اینکه باهم تماس داشته باشند روی هم اثر میگذارند. دیدگاه دیگر استفاده از مفهوم میدان است. که بنابراین یک ذره جرمدار فضای اطرافش را طوری تغییر میدهد که در آن میدان ، گرانش ایجاد میکند.
این میدان بر هر ذره جرمداری که در آن قرار میگیرد. یک نیروی جاذبه گرانشی وارد میکند. بنابراین در تصور ما از نیروهای میان ذرات جرمدار ، میدان نقش واسطه ایفا میکند. طبق این دیدگاه مسئله ما دو قسمت جداگانه دارد. ابتدا باید میدانی که توزیع معینی از ذرات جرمدار تولید میکند معین کنیم و سپس نیرویی که این میدان بر یک ذره جرمدار وارد میکند محاسبه کنیم.
اندازهگیری شتاب جاذبه گرانشی
به عنوان مثال ، زمین را به صورت یک جرم منزوی در نظر میگیریم. حال اگر جسمی را در مجاورت زمین قرار دهیم، نیرویی بر آن وارد میشود. این نیرو در هر نقطه از فضا دارای جهت و بزرگی مشخصی است. جهت این نیرو ، که در راستای شعاع است. به طرف مرکز زمین ، بزرگی آن برابر است با mg ، بنابراین به هر نقطهای در نزدیکی زمین میتوان یک بردار g وابسته کرد بردار g شتابی است که جسم رها شده در هر نقطه بدست میآورد و آن را شدت میدان گرانشی در آن نقطه مینامند.
G = F/m شدت میدان گرانشی در هر نقطه را میتوانیم به صورت نیروی گرانشی وارد بر بقای جرم در آن نقطه تعریف کنیم.
مباحث مرتبط با عنوان
