الجاذبية الأرضية تمثل التسارع الذي تعطيه الأرض للأجسام التي تقع في مجالها، حيث أن قوة الجاذبية الأرضة مؤثر حيوي على حركة الأجسام أو تغير حالة الجسم من السكون إلى الحركة، ويأتي هذا التأثير في شكل جذب نحو مركز الأرض أو سقوط نحو سطح الأرض، وقد أعتقد العلماء قديمًا أن سرعة سقوط الأجسام يعتمد بشكل أساسي على وزن هذا الجسم، حيث عرف بأن الأجسام الأثقل وزنًا هي الأسرع سقوطًا، إلا أن التجربة العلمية أثبتت خطأ هذا الاعتقاد.
حيث أن سرعة السقوط تعتمد بشكل كبير على مقاومة الهواء، وقد تم اكتشاف أنه عند إسقاط مجموعة من الأجسام مختلفة الأوزان في الفراغ أي بدون وجود مقاومة للهواء فإن الأجسام جميعًا تستغرق نفس زمن السقوط وهو ما يسمى بالسقوط الحر، وفي الأسطر التالية لنا حديث أكثر تفصيلا عن السقوط الحر.
مفهوم السقوط الحر
السقوط الحر بشكل عام هي أي حركة للجسم وفقًا لتأثير الجاذبية الأرضية فقط دون أي مؤثرات أخرى وبخاصة الهواء أى أن وسط السقوط وسط مفرغ.
خصائص السقوط الحر
بداية يجب أن نعلم بأن الهواء هو الذي يؤثر على في عملية إبطاء سقوط الأجسام حيث يمثل عامل مقاومة، وتتأثر تلك المقاومة فلا تكون متساوية لكل الأجسام والتأثر يتم بناء حجم السطح المعرض لمقاومة الهواء، فمثلًا عند إلقاء حجر وريشة فإن سرعة سقوط الحجر تكون أكبر من سرعة سقوط الريشة في ظل وجود الهواء أما في حال عدم وجود مقاومة الهواء فإن عملية السقوط تنطبق عليها خصائص السقوط الحر والتي تتمثل في:
1-تبدأ حركة أي جسم في حالة سقوط حر من سرعة تساوي صفر.
2-أي جسم في حالة سقوط حر يتأثر بقوة ثابتة هى قوة الجاذبية الأرضية لهذا الجسم وهى دائمًا تكون نحو مركز الأرض فيكون هذا السقوط دائمًا في اتجاه رأسي أو عمودي في اتجاه الأسفل أو ما يسمى شاقولي.
3-أي مجموعة من الأجسام في حالة سقوط حر من نفس الارتفاع تستغرق نفس زمن الوصول إلى الأرض
4-لا تتأثر سرعة سقوط الأجسام في حالة السقوط الحر بالتغير في كتلة الأجسام الساقطة.
5-معدل سرعة سقوط الأجسام سقوطًا حرًا تتزايد بسرعة ثابتة.
6-كل الأجسام مع اختلاف أوزانها أو كتلتها تكتسب تسارعًا ثابتًا متساويًا.
تسارع سقوط الأجسام في حالة سقوط حر هو معدل ثابت لكل الأجسام ويساوي 10 متر لكل مربع ثانية ويطلق عليه تسارع السقوط الحر.
تفسير العلماء للسقوط الحر
كان لمجموعة من العلماء جهد ملحوظ في تفسير عملية السقوط الحر ولعل من أبرز هؤلاء العلماء نجد:
تفسير العالم جاليليو للسقوط الحر
كما علمنا كان المفهوم المعروف للسقوط بشكل عام هو ما قدمه أرسطو للعالم والذي فسر عملية السقوط بالآتي:
1-كل مادة تحتاج إلى الرجوع إلى مكانها الطبيعي لذا تتوجه له وضرب مثال بالحجر والذي مكانه الطبيعي هو الأرض لذا فإنه يسقط باتجاه مركز الأرض.
2-الأجسام الأثقل وزنًا هى الأسرع سقوطًا حيث أن تلك الأجسام هى الأكثر رغبة في الوصول إلى مركز الأرض لذا فإن سرعة سقوط كتلة من الرصاص تكون أسرع من سرعة سقوط ريشة.
3-يزداد تسارع الأجسام الثقيلة كلما اقتربت من مكانها الطبيعي.
ظل هذا هو الاعتقاد المنتشر حول عملية سقوط الأجسام حتى جاء العالم جاليليو وغير هذا المفهوم حيث أوضح جاليليو أن عملية السقوط الحر تخضع إلى تسارع ثابت لسقوط كل الأجسام مهما اختلفت كتلتها أو وزنها وإنما الاختلاف في تسارع السقوط يكون ناتجًا عن مقاومة الهواء فقط.
تفسير العالم نيوتن للسقوط الحر
قال نيوتن بأن تسارع سقوط الأجسام في حالة السقوط الحر يختلف باختلاف مكان السقوط على الأرض حيث أن تسارع السقوط يتأثر بالمسافة بين الجسم ومركز الأرض، وتعتبر تلك القوة هي التي تتحكم في حركة القمر حول الأرض وكذلك حركة الكواكب حول الشمس والتي تتأثر بقوة جذب الشمس للكواكب ومكان أو بعد كل كوكب عن مركز الشمس، أما عن تفسير نيوتن للاختلاف بين زمن وسرعة سقوط كتلة من الرصاص وريشه بأن ذلك ناتج عن قوة الاحتكاك الخاصة بالهواء.
قانون السقوط الحر
انتشرت بين الغالبية العظمى من الناس بأن اكتشاف قانون الجاذبية الأرضية حدث بسبب حادثة طريفة وقعت مع العالم إسحاق نيوتن، حيث كان جالسًا أسفل شجرة فسقطت عليه تفاحة من تلك الشجرة فبدأ التفكير لماذا سقطت تلك التفاحة بشكل عمودي وليس بأي اتجاه آخر حتى توصل إلى نظريته التي فسر فيها بأن السقوط الحر هو سقوط هو حركة الأجسام بفعل الجاذبية الأرضية بينما حركة السقوط الحر هي التسارع الذي يتم بشكل ثابت ومنتظم ويطلق عليه عجلة الجاذبية ويساوي 10 متر لكل مربع ثانية.
ملحوظة: الواقع يفرض بأن عملية السقوط الحر على الأرض تتأثر ببعض العوامل إلى جانب الجاذبية الأرضية نظرًا إلى أن الأرض غير مفرغة، ومن أبرز تلك المؤثرات مقاومة الهواء وكذلك بعض قوى الاحتكاك الأخرى.
بعد ذكر ما سبق يجب الإيضاح بأن ما انتشر بشكل مكثف عن النظريات الخاصة بالجاذبية الأرضية وفكرة السقوط الحر بانتسابها للعلماء أمثال جاليليو ونيوتن هي فكرة قاصرة بعض الشيء، إذ أغفلت تلك المعلومات أنه من قبل جاليليو ونيوتن بقرون كان العلماء المسلمين قد توصلوا إلى مفهوم الجاذبية الأرضية ومفهوم السقوط الحر، حيث بدءوا في التحدث عنها تقريبًا منذ القرن العاشر الميلادي وكان من أمثلة هؤلاء ابن الهيثم والبيروني والهمداني وابن ملكا البغدادي والخازني.
حيث أن سرعة السقوط تعتمد بشكل كبير على مقاومة الهواء، وقد تم اكتشاف أنه عند إسقاط مجموعة من الأجسام مختلفة الأوزان في الفراغ أي بدون وجود مقاومة للهواء فإن الأجسام جميعًا تستغرق نفس زمن السقوط وهو ما يسمى بالسقوط الحر، وفي الأسطر التالية لنا حديث أكثر تفصيلا عن السقوط الحر.
مفهوم السقوط الحر
السقوط الحر بشكل عام هي أي حركة للجسم وفقًا لتأثير الجاذبية الأرضية فقط دون أي مؤثرات أخرى وبخاصة الهواء أى أن وسط السقوط وسط مفرغ.
خصائص السقوط الحر
بداية يجب أن نعلم بأن الهواء هو الذي يؤثر على في عملية إبطاء سقوط الأجسام حيث يمثل عامل مقاومة، وتتأثر تلك المقاومة فلا تكون متساوية لكل الأجسام والتأثر يتم بناء حجم السطح المعرض لمقاومة الهواء، فمثلًا عند إلقاء حجر وريشة فإن سرعة سقوط الحجر تكون أكبر من سرعة سقوط الريشة في ظل وجود الهواء أما في حال عدم وجود مقاومة الهواء فإن عملية السقوط تنطبق عليها خصائص السقوط الحر والتي تتمثل في:
1-تبدأ حركة أي جسم في حالة سقوط حر من سرعة تساوي صفر.
2-أي جسم في حالة سقوط حر يتأثر بقوة ثابتة هى قوة الجاذبية الأرضية لهذا الجسم وهى دائمًا تكون نحو مركز الأرض فيكون هذا السقوط دائمًا في اتجاه رأسي أو عمودي في اتجاه الأسفل أو ما يسمى شاقولي.
3-أي مجموعة من الأجسام في حالة سقوط حر من نفس الارتفاع تستغرق نفس زمن الوصول إلى الأرض
4-لا تتأثر سرعة سقوط الأجسام في حالة السقوط الحر بالتغير في كتلة الأجسام الساقطة.
5-معدل سرعة سقوط الأجسام سقوطًا حرًا تتزايد بسرعة ثابتة.
6-كل الأجسام مع اختلاف أوزانها أو كتلتها تكتسب تسارعًا ثابتًا متساويًا.
تسارع سقوط الأجسام في حالة سقوط حر هو معدل ثابت لكل الأجسام ويساوي 10 متر لكل مربع ثانية ويطلق عليه تسارع السقوط الحر.
تفسير العلماء للسقوط الحر
كان لمجموعة من العلماء جهد ملحوظ في تفسير عملية السقوط الحر ولعل من أبرز هؤلاء العلماء نجد:
تفسير العالم جاليليو للسقوط الحر
كما علمنا كان المفهوم المعروف للسقوط بشكل عام هو ما قدمه أرسطو للعالم والذي فسر عملية السقوط بالآتي:
1-كل مادة تحتاج إلى الرجوع إلى مكانها الطبيعي لذا تتوجه له وضرب مثال بالحجر والذي مكانه الطبيعي هو الأرض لذا فإنه يسقط باتجاه مركز الأرض.
2-الأجسام الأثقل وزنًا هى الأسرع سقوطًا حيث أن تلك الأجسام هى الأكثر رغبة في الوصول إلى مركز الأرض لذا فإن سرعة سقوط كتلة من الرصاص تكون أسرع من سرعة سقوط ريشة.
3-يزداد تسارع الأجسام الثقيلة كلما اقتربت من مكانها الطبيعي.
ظل هذا هو الاعتقاد المنتشر حول عملية سقوط الأجسام حتى جاء العالم جاليليو وغير هذا المفهوم حيث أوضح جاليليو أن عملية السقوط الحر تخضع إلى تسارع ثابت لسقوط كل الأجسام مهما اختلفت كتلتها أو وزنها وإنما الاختلاف في تسارع السقوط يكون ناتجًا عن مقاومة الهواء فقط.
تفسير العالم نيوتن للسقوط الحر
قال نيوتن بأن تسارع سقوط الأجسام في حالة السقوط الحر يختلف باختلاف مكان السقوط على الأرض حيث أن تسارع السقوط يتأثر بالمسافة بين الجسم ومركز الأرض، وتعتبر تلك القوة هي التي تتحكم في حركة القمر حول الأرض وكذلك حركة الكواكب حول الشمس والتي تتأثر بقوة جذب الشمس للكواكب ومكان أو بعد كل كوكب عن مركز الشمس، أما عن تفسير نيوتن للاختلاف بين زمن وسرعة سقوط كتلة من الرصاص وريشه بأن ذلك ناتج عن قوة الاحتكاك الخاصة بالهواء.
قانون السقوط الحر
انتشرت بين الغالبية العظمى من الناس بأن اكتشاف قانون الجاذبية الأرضية حدث بسبب حادثة طريفة وقعت مع العالم إسحاق نيوتن، حيث كان جالسًا أسفل شجرة فسقطت عليه تفاحة من تلك الشجرة فبدأ التفكير لماذا سقطت تلك التفاحة بشكل عمودي وليس بأي اتجاه آخر حتى توصل إلى نظريته التي فسر فيها بأن السقوط الحر هو سقوط هو حركة الأجسام بفعل الجاذبية الأرضية بينما حركة السقوط الحر هي التسارع الذي يتم بشكل ثابت ومنتظم ويطلق عليه عجلة الجاذبية ويساوي 10 متر لكل مربع ثانية.
ملحوظة: الواقع يفرض بأن عملية السقوط الحر على الأرض تتأثر ببعض العوامل إلى جانب الجاذبية الأرضية نظرًا إلى أن الأرض غير مفرغة، ومن أبرز تلك المؤثرات مقاومة الهواء وكذلك بعض قوى الاحتكاك الأخرى.
بعد ذكر ما سبق يجب الإيضاح بأن ما انتشر بشكل مكثف عن النظريات الخاصة بالجاذبية الأرضية وفكرة السقوط الحر بانتسابها للعلماء أمثال جاليليو ونيوتن هي فكرة قاصرة بعض الشيء، إذ أغفلت تلك المعلومات أنه من قبل جاليليو ونيوتن بقرون كان العلماء المسلمين قد توصلوا إلى مفهوم الجاذبية الأرضية ومفهوم السقوط الحر، حيث بدءوا في التحدث عنها تقريبًا منذ القرن العاشر الميلادي وكان من أمثلة هؤلاء ابن الهيثم والبيروني والهمداني وابن ملكا البغدادي والخازني.
