ما هو القاسم المشترك بين سقوط التفاحة والقمر الذي يدور حوله؟

إذا أسقطت كائن ، سوف يسقط. إنها حركة رأيناها جميعًا مئات المرات. لقد رأينا جميعًا أيضًا الكثير من القمر ، مما يجعل مدارًا واحدًا كاملًا حول كوكبنا كل 27.3 يومًا (كما يُرى من الأرض). قد يبدو السقوط والدوران وكأنهما نوعان مختلفان تمامًا من الحركة ، لكنهما ليسا كذلك! نفس الفيزياء تشرح كلاهما.

هناك قصة شهيرة حول قيام إسحاق نيوتن بالاتصال بفضل سقوط تفاحة. (ربما هذا ليس صحيحًا – لكنه قد كن.) ومع ذلك ، فإن إدراكه مذهل نوعًا ما ، لذلك سأقوم بتوجيهك خلال العملية برمتها. يتضمن بعض المفاهيم التي قد يعتبرها الأشخاص الذين يعيشون اليوم أمرا مفروغا منه ، لكن بناء المعرفة مثل هذا ليس بالأمر الهين ، ولم يكتشف نيوتن كل شيء بمفرده. لقد بنى على أفكار من جاليليو ، الذي درس حركة الأجسام المتساقطة ، وروبرت هوك ، الذي استكشف تأثيرات الأشياء تتحرك في دوائر ، ويوهانس كيبلر ، الذي أنتج أفكارًا حول حركة الكواكب والقمر.

الأجسام المتساقطة

لنبدأ بما يحدث للجسم عند سقوطه. في القرن الثالث قبل الميلاد ، أكد أرسطو أن الجسم الهائل سوف يسقط أسرع من الجسم المنخفض الكتلة. تبدو معقولة ، أليس كذلك؟ يبدو أن هذا يتناسب مع ما نراه – تخيل إسقاط صخرة وريشة في نفس الوقت. لكن أرسطو لم يكن كبيرًا في اختبار نظرياته بالتجارب. بدا الأمر كذلك منطقي أن الجسم الأثقل يسقط بشكل أسرع. مثل معظم أقرانه من الفلاسفة ، فضل أن يتوصل إلى استنتاجات مبنية على منطق الكرسي.

استنتج أرسطو أيضًا أن الأشياء تسقط بسرعة ثابتة ، مما يعني أنها لا تبطئ أو تتسارع مع تقدمها. ربما توصل إلى هذا الاستنتاج لأن الأجسام المتساقطة تسقط بسرعة ، ومن الصعب حقًا ملاحظة التغيرات في السرعة بالعين المجردة.

ولكن بعد ذلك بوقت طويل ، ابتكر جاليليو جاليلي (الذي اشتهر باسمه الأول لأنه كان يعتقد أن ذلك رائعًا) طريقة لإبطاء الأمور. كان حله هو دحرجة الكرة على منحدر بدلاً من إسقاطها. دحرجة الكرة بزاوية طفيفة جدًا تجعل من السهل معرفة ما يحدث. قد يبدو مثل هذا:

الآن يمكننا أن نرى أنه بينما تتدحرج الكرة على المسار ، تزداد سرعتها. اقترح جاليليو أنه خلال الثانية الأولى من الحركة ، ستزداد سرعة الكرة بمقدار معين. ستزداد أيضًا بنفس المقدار من السرعة في الثانية التالية من الحركة. هذا يعني أنه خلال الفترة الزمنية بين 1 و 2 ثانية ، ستقطع الكرة مسافة أبعد مما كانت عليه في الثانية الأولى.

ثم اقترح أن يحدث الشيء نفسه عندما تزيد من انحدار الزاوية ، مما ينتج عنه زيادة أكبر في السرعة. يجب أن يعني هذا أن الجسم الموجود على منحدر رأسي تمامًا (والذي سيكون هو نفسه كائنًا ساقطًا) سيزداد أيضًا في السرعة. بوم – أرسطو كان مخطئًا! الأجسام المتساقطة لا تسقط بسرعة ثابتة ، ولكن بدلاً من ذلك قم بتغيير السرعة. معدل تغير السرعة يسمى التسارع. على سطح الأرض ، سيتسارع الجسم المتساقط إلى أسفل بمعدل 9.8 مترًا لكل ثانية في الثانية.

يمكننا كتابة العجلة رياضيًا كتغيير في السرعة مقسومًا على التغيير في الوقت (حيث يشير الرمز اليوناني Δ إلى التغيير).