مقاله درباره نیروی جاذبه زمین در 85 صفحه با فرمت word و قابل ویرایش

مقدمه

در کودکی به ما یاد داده اند که هنگامی که بستنی می خوریم، اگر روی قالی بریزید و یا وقتی ازروی تاب به زمین می افتیم، گناه ازنیروی گرانش است. اگر از شما بخواهند حدس بزنید که آیا نیروی جاذبه خیلی ضعیف یا خیلی قوی است، چه می گویید؟ احتمالاً خواهید گفت:

« فوق العاده قوی است »

در این صورت در اشتباه خواهید بود. این نیرو به مراتب از سه نیروی دیگر (نیروی قوی هسته ای، نیروی الکترومغناطیس، نیروی ضعیف هسته ای) ضعیف تراست. گرانشی که در زندگی روزمره ما تا ایـن اندازه محسوس است، گرانش سیاره بسیار بزرگی است که روی آن زندگی می کنیم یا درحقیقت، برآیند گرانش همه ذرات موجود درزمین است. سهم هر ذره، ناچیز است. برای اندازه گیری جاذبه گرانشی ضعیفی که بین اشیاء کوچکی که هر روز با آن سروکار داریم، به دستگاههای خیلی دقیق، نیازمندیم. ضمن اینکه گرانش همیشه حالت جذب دارد و هرگز دفع نمی کند، پس خصوصیت جمع پذیری دارد.

جان وایلر فیزیکدان، مایل است گرانش را شبیه یک سیستم دموکراتیک فرض کند. هرذره یک رای دارد که می تواند بر هر ذره دیگر موجود در جهان اثر بگذارد. اگر ذرات جمع شوند و رای دسته جمعی بدهند(مثلاً در یک ستاره یا زمین)، تاثیر بیشتری اعمال می کنند. جاذبه گرانش بسیارضعیف تک تک ذرات، در اجسام بزرگی مثل زمین مانند همان رای دسته جمعی، با هم جمع می شوند و نیروی قابل توجهی پدید می آورند.

هر چقدر ذرات مادی که یک جسم را تشکیل می دهند، زیادتر باشد، جرم آن جسم بیشتر است. جرم با اندازه یک جسم تفاوت دارد. جرم تعیین می کند که چقدر ماده در جسمی وجود دارد، یا تعداد آرا، در این رای دسته جمعی چقدر است (بدون توجه به تراکم و تفرق ذرات آن ماده)

سرایزاک نیوتن، در سالهای 1600 صاحب کرسی ریاضیات در کمبریج بود. وی همان مقامی را داشت که هاوکینگ امروزه دارد. نیوتن قوانینی را کشف کرد که چگونگی عمل گرانش را درشرایط کم و بیش عادی، توضیح می دهند. نخست اینکه اجسام درجهان در حال سکون نیستند. آنها به حال سکون نمی مانند تا نیروی آن ها را با کشیدن یا راندن به حرکت در آورد و سپس با «از کار افتادن»این نیرو، بار دیگر به حال سکون در آیند. بلکه برعکس، اگر جسمی کاملا ًبه حال خود گذارده شود، در امتداد یک خط راست بدون تغییر جهت و تغییر تندی به حرکت خود ادامه می دهد. بهترین دیدگاه آن است که فکر کنیم جهان، در حال حرکت است. ما می توانیم سرعت یا جهت حرکت خود را نسبت به سایر اجسامی که در جهان وجود دارند، بسنجیم، اما نمی توانیم آن را نسبت به سکون مطلق یا چیزی مثل شمال و جنوب، بالا یا پایین مطلق اندازه گیری کنیم.

به عنوان مثال، اگر کره ماه در فضا تنها بود، در حال سکون نمی ماند بلکه در امتداد خط راست بدون تغییر سرعت، به حرکت خود ادامه می داد. البته اگر ماه واقعاً تنها بود، امکان نداشت که حرکت آن را بگونه ای که گفته شد، بیان کنیم. زیرا چیزی نبود که حرکت ماه را به آن نسبت دهیم، اما ماه کاملاً تنها نیست. نیرویی موسوم به گرانش، ماه را وادار می کند که تندی حرکت و جهت حرکت خود را تغییر دهد. این نیرو از کجا می آید؟ این نیرو از مجموعه آراء ذرات نزدیک به هم (جسمی با جرم زیاد) می آید که همان زمین باشد. ماه در برابر این تغییر، مقاومت می کند و سعی می کند که حرکت خود را روی یک خط راست نگه دارد. در همین حال، گرانش ماه نیز روی زمین تاثیر می گذارد.
می دانیم که نمونه بارز آن جزر و مد اقیانوس هاست.

نظریه گرانش نیوتن به ما می گوید که مقدار جرم یک جسم، چگونه بر شدت گرانش بين آن جسم و جسم دیگر، تاثیر می گذارد. اگر عوامل دیگر تغییر نکنند، هر قدر جرم زیادتر باشد، جاذبه شدیدتر خواهد بود. اگر زمین دو برابر جرم فعلی خود را داشت جاذبه ای که بین زمین و ماه وجود داشت، نسبت به جاذبه کنونی آن، دو برابر می شد. اما اگر فاصله ماه تا زمین دو برابر فاصله کنونی بود، شدت جاذبه بین آنها یک چهارم شدت فعلی می شد.

نظریه گرانش نیوتن نظریه بسیار موفقی بود و تا 200 سال بعد، مورد تجدید نظر واقع نشد. هنوز هم ما از آن استفاده می کنیم در حالی که می دانیم، در بعضی شرایط، مثلاً اگر نیروهای گرانشی فوق العاده شدید باشند (به عنوان مثال در نزدیکی سیاهچاله)، یا زمانی که اجسام با سرعتی معادل نور حرکت کنند، این نظریه دیگر صادق نیست.

تصورات اوليه درباره عالم

شك نیست که نیوتن از طریق استوار کردن افکار خویش بر دستاوردهای پژوهندگان زمانهای پیشین توانست به توفیق دوران ساز خود برسد ازاینرو لازم است که ابتدا کار پیشينیان نیوتن را مورد بررسی قراردهیم. به نظر می رسد شیوه نگرش آدمی به زمین، در شکل گیری تصوراوازعالم تا ثیر بسزايی داشته، و این هم امری منطقی است. فرض میکنیم هرگز بر ایمان پیش نیامده باشد که بتوانیم تا جایی دورتر از فاصله یک روزراه رفتن خود برویم؛ در این صورت تعبیر ما از زمین چگونه است؟ بی شک باید زمین را مسطح تصور کنیم، که ستارگان هم خیمه یا گنبدی بر فراز سرمان تشکیل داده اند. آسمان را سپر برنجی عظیمی بر فراز سرمان می پنداریم که صدها سوراخ در آن تعبیه شده است و از بیرون این سوراخها نوری از آتشبر ما میتابد که جلوه ستارگان آسمان است. این همان توضیح یونانیان باستان درباره افلاک است .

مدل زمین مرکزی

- ارسطو (322- 384 ق.م)

آکادمی افلاطون درقرن چهارم قبل ازمیلاد در آتن تأسیس شد ویکی از مشهورترین شاگردان این مکتب ارسطو بود. ارسطو که به برترین وبا نفوذترین فیلسوف عصر خود تبدیل شد و سمت مربیگری اسکندر مقدونی را یافت، این ایده را قویاً تثبیت کرد که زمین کروی مرکزعالم استو در این موضع بی حرکت ایستاده است وخورشید وماه وسیارات در مدارهایی به دور آن در حركتند. وی معتقد بود به هنگام گرفتگی ماه ، زمین بر ماه سایه افکنده است و از آنجا که این سایه همواره دایر وی است، زمین باید یک کره – یا دست کم نزدیک به یک کره بوده باشد.

ارسطو معتقد بود که جهان طبعاً جهانی است که منشأ الهی داشته، ازبالاترین حد کمال برخوردار است وازاین طریق می باید ممتازباشد. ازاین رو در نظرارسطو بدیهی می نمود که جسم های آسمانی کره های کامل بوده و فقط روی دایره ها، یعنی روی کاملترین شکل منحنیها، تحت یک نظام بدون نقص دوران می کرده اند چه آنکه کره « کاملترین» صورت اجسام بوده و زمین نیز تقریباً کروی می نموده است.

بطلمیوس (90- 160 م)

توضیح حرکت سیارات منجمان دوره باستان رابا دشواریهای بزرگ مواجه می کرد. حرکت سیارات در آسمان در واقع مانند حرکت خورشید وماه تقریباً یکنواخت نیست، بلکه گاهی تندتر و زمانی کندتر انجام می شود. گاهی نیزپیش می آید که این حرکات حتی (بازگشتی) است به طوری که مدار سیارات در آسمان را به صورت منحنی های پیچیده وحلقوی نمایش می دهد.

اینک چنین وضعی با طرح جا افتاده ارسطو که بر حرکات دایره ای اینك بطلمیوس دربرابر این مشکل یک نبوغ فکری به کاربست و حرکت غیر یکنواخت سیارات را با آموزش ارسطوی مبتنی بر حرکات دایره ای یکنواخت هماهنگ ساخت.

به عقیده بطلمیوس سیاره محیط یک دایره کوچک موسوم به اپی سیکل یا دایره مسیر را دورمی زند، و مرکز این دايره کوچک خود در عین حال بر یک دایره بزرگ، موسوم به راهبر( Deferent ) قرارمی گـیرد و گرد زمین ساکن حرکت می کند، چنانچه جهت حرکت سیاره بر دایره مسیر با جهت دایره مسـیر بر راهبر موافق باشد، این دو حرکت در مجموع تقویت می شوند، وحرکت سیاره تندتر می نماید.

اما اگرحرکت سیاره بردایره مسیر خلاف جهت حرکت دایره مسیربر راهبر باشد، چنین جلوه می کند که سیاره در آسمان به عقب بر می گردد. و بدین نحو حرکت حلقوی غیر یکنواخت سیاره را زاییده و نتیجه دو حرکت دایره ای یکنواخت می دانند.

هرگاه نتیجه چنین حرکاتی کافی نباشد و نتواند با حاصل اندازه گیریها وفق بدهد، حرکات دایره‌های دیگررا به عنوان مولفه کمکی وارد می کنند. بطلمیوس بدین نحو توانست کلیه حرکات در آسمان را توصیف کند.