گرانش: نیروی جاذبه بین دو جسم

گرانش (Gravitation): نیروی جاذبه بین دو جسم

گرانش چیست؟ نیرویی نامرئی اما همیشه حاضر

آیا تا به حال فکر کرده‌اید که چرا وقتی چیزی را رها می‌کنیم، به سمت زمین می‌افتد؟ یا چرا سیارات به دور خورشید می‌چرخند، بدون آن که از آن دور شوند؟ پاسخ همهٔ این پرسش‌ها در یک کلمه نهفته است: گرانش¹. گرانش نیروی جاذبه‌ای است که هر جسمی را که جرم² دارد، به سوی جسمِ دارای جرمِ دیگر می‌کشد. این نیرو از ذرات ریز اتم تا کهکشان‌های عظیم را تحت تأثیر قرار می‌دهد.

یک مثال ساده: هنگامی که یک توپ را به هوا پرتاب می‌کنید، پس از مدتی دوباره به زمین برمی‌گردد. این به خاطر نیروی گرانش زمین است که توپ را به سوی خود می‌کشد. نکتهٔ جالب این است که زمین نیز کمی به سمت توپ کشیده می‌شود! اما چون جرم زمین بسیار بسیار بزرگ‌تر از جرم توپ است، این حرکت زمین آن‌قدر ناچیز است که ما نمی‌توانیم آن را ببینیم.

از مشاهده تا قانون: داستان نیوتن و سیب

ایزاک نیوتن³، دانشمند بزرگ انگلیسی، در قرن هفدهم با تدوین قانون جهانی گرانش⁴، درک ما از جهان را متحول کرد. داستان معروفی وجود دارد که مشاهدهٔ سقوط یک سیب از درخت، جرقهٔ اولیهٔ این کشف در ذهن او بود. نیوتن متوجه شد نیرویی که باعث سقوط سیب می‌شود، همان نیرویی است که ماه را در مدارش به دور زمین نگه می‌دارد.

قانون جهانی گرانش نیوتن به زبان ساده می‌گوید:

این فرمول سه ویژگی مهم گرانش را نشان می‌دهد:

1. مستقیم با جرم: هرچه جرم اجسام بیشتر باشد، نیروی گرانش بین آن‌ها قوی‌تر است.
2. معکوس با مجذور فاصله: با افزایش فاصله، نیرو به سرعت کاهش می‌یابد. اگر فاصله دو برابر شود، نیرو به یک‌چهارم می‌رسد.
3. همه‌جا حاضر: این قانون برای هر دو جسمی در کیهان صادق است.

وزن در برابر جرم: یک تفاوت حیاتی

خیلی‌ها فکر می‌کنند وزن و جرم یک چیز هستند، اما در فیزیک این دو مفهوم کاملاً متفاوت‌اند و گرانش نقش کلیدی در این تفاوت بازی می‌کند.

• جرم²: مقدار مادهٔ تشکیل‌دهندهٔ یک جسم است. این مقدار ثابت است و هرگز تغییر نمی‌کند. چه روی زمین باشید، چه روی ماه، جرم شما یکسان است. واحد آن کیلوگرم (kg) است.
• وزن: در واقع نیروی گرانشی است که یک سیاره یا جرم آسمانی به جسم وارد می‌کند. وزن از ضرب جرم در شتاب گرانش⁵ (g) بدست می‌آید: $W = m \times g$ واحد وزن نیوتن (N) است.

شتاب گرانش (g) برای زمین تقریباً برابر است با $9.8 m/s^2$. این یعنی اگر جسمی را رها کنیم، سرعتش در هر ثانیه 9.8 متر بر ثانیه افزایش می‌یابد. مقدار g در ماه حدود یک‌ششم زمین است ($1.6 m/s^2$). به همین دلیل است که فضانوردان روی ماه می‌توانند به راحتی بپرند و سنگین‌ترین ابزارها را به آسانی بلند کنند: جرم آن‌ها تغییر نکرده، اما وزن آن‌ها کاهش یافته است.

گرانش در عمل: از فواره تا فضاپیما

گرانش فقط تئوری نیست؛ کاربردهای عملی فراوانی در زندگی روزمره و فناوری دارد:

1. جزر و مد: کشندهای دریاها عمدتاً به دلیل نیروی گرانش ماه و خورشید بر زمین ایجاد می‌شوند. این پدیده برای پیش‌بینی زمان طغیان آب در بنادر و تولید انرژی حیاتی است.
2. مدار ماهواره‌ها: ماهواره‌های مخابراتی، GPS و هواشناسی در مدار زمین قرار می‌گیرند. سرعت آن‌ها به گونه‌ای تنظیم می‌شود که نیروی گرانش زمین دقیقاً همان نقش نیروی مرکزگرا را بازی کند و ماهواره در مداری ثابت بچرخد.
3. پرتاب فضاپیما: برای فرار از گرانش زمین و رسیدن به فضا یا دیگر سیارات، موشک‌ها باید به سرعت بسیار زیادی (سرعت فرار، حدود 11.2 km/s) دست یابند. محاسبهٔ این سرعت و مسیر حرکت مستقیماً به قانون گرانش وابسته است.
4. آبشارها و حرکت رودخانه‌ها: جریان آب از نقاط مرتفع به نقاط پست، نتیجهٔ مستقیم نیروی گرانش است.

اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم

پاورقی

¹ گرانش (Gravitation): نیروی جاذبه‌ای بنیادی بین اجسام دارای جرم.
² جرم (Mass): مقدار ماده تشکیل‌دهنده یک جسم، واحد آن کیلوگرم (kg) است.
³ ایزاک نیوتن (Sir Isaac Newton): فیزیکدان و ریاضیدان انگلیسی (۱۶۴۳-۱۷۲۷).
⁴ قانون جهانی گرانش (Newton's Law of Universal Gravitation).
⁵ شتاب گرانش (Gravitational Acceleration): شتابی که یک جسم در اثر نیروی گرانش به دست می‌آورد. روی زمین با نماد g نشان داده می‌شود.
⁶ بی‌وزنی (Weightlessness): حالتی که در آن اثر وزن احساس نمی‌شود، معمولاً در سقوط آزاد ایجاد می‌گردد.