معلومات عامة

السقوط الحر : تاريخ الانحراف

السقوط الحر : إسقاط الأشياء من قمم الأبراج أو في مهاوي المناجم: تجربة كررها العلماء المتشوقون بشكل متكرر لتحديد ما إذا كان سقوطها قد انحرف شرقاً وجنوباً. السؤال لا يزال يثير اهتمام علماء الفيزياء اليوم.

في عام 1903 ، بدأ الفيزيائي الأمريكي إدوين هول بهذه الكلمات مقالًا مخصصًا للأجسام المتساقطة: “إن مسألة معرفة ما إذا كانت كرة ساقطة من ارتفاع بضع مئات من الأقدام تنحرف قليلاً إلى الجنوب من اتجاه لا تكون من أهم المشاكل أو إلحاحها في الفيزياء ، لكنها تتمتع بكرامة العصر الجليل وسحر الغموض. الغموض حقًا ، لأنه خلال القرون السابقة ، أدت التجارب إلى نتائج متناقضة وفقط الفهم الدقيق لقوانين الجاذبية جعل من الممكن رؤيتها بوضوح. أصبح التمرين كلاسيكيًا للطلاب ، ويستمر الفيزيائيون في تصميم نموذج أكثر دقة لكيفية سقوط الجسم إذا كان بإمكانه المرور بحرية عبر الأرض.

جدول المحتويات

قبل عدة قرون من ملاحظة إدوين هول

قبل عدة قرون من ملاحظة إدوين هول ، كانت مسألة ما إذا كان جسم ساقط حرًا يتحرك بعيدًا عن العمودي ذا أهمية كونية أساسية: كان العلماء يأملون في استخدام هذه الملاحظة لإثبات أن الأرض تدور عليها – حتى. بالفعل ، بينما كان يكتب De Revolutionibusنُشر عام 1543 والذي طور فيه فرضية مركزية الشمس ، أدرك نيكولا كوبرنيكوس أهمية الفهم الكامل لسقوط الأجسام. في الواقع ، جادلت بعض الانتقادات الموجهة إليه بأن الأرض لا يمكن تحريكها بواسطة حركة دورانية ، لأن هذا سيكون له عواقب مذهلة (وغير ملحوظة). على سبيل المثال ، وفقًا لهذه المراجعات ، يجب أن تهبط الكرة التي تسقط من أعلى الصاري على بعد عدة مئات من الأمتار غرب نقطة إطلاقها ، مع تجريف الصاري ودعمه بحركة الأرض وليس الكرة ، سيبقى في الخلف.

إقرأ أيضا:المال

السقوط الحر : اهتموا بشدة بنزع فتيل هذه الاعتراضات من خلال إسناد حركة دائرية للقذيفة

كوبرنيكوس نفسه ، ثم كوبرنيكوس مثل توماس ديجز أو جيوردانو برونو ، اهتموا بشدة بنزع فتيل هذه الاعتراضات من خلال إسناد حركة دائرية للقذيفة (حركة نقطة الإطلاق) بالإضافة إلى حركتها العمودية. سعى جاليليو ، على وجه الخصوص ، إلى توضيح أن الكرة التي تم إسقاطها من أعلى سارية متحركة هي كرة يتم إلقاؤها بسرعة الصاري ، من وجهة نظر مراقب غير مشارك في حركة القطب. الأرض .(سأسميها المراقب “الثابت” في ما يلي). لذلك يجب أن تتحرك أفقيًا بسرعة الصاري قبل الوصول إلى الأرض. ذكر جاليليو أيضًا في حواره

حول نظامي العالم(1632) ، احتمال أن تتحرك الكرة أسرع من الأرض (لأن الجزء العلوي من الصاري يتحرك أسرع من الأرض ، نظرًا لأنه بعيد عن مركز الدوران) والوصول إليها شرق الصاري بدلاً من قدميه . لكن العالم لم يجادل بحماس شديد ، بل بدا له التأثير كنتيجة خاطئة للتفكير السيئ.

المنطق ما قبل نيوتن


في عام 1679 ، في رسالة إلى روبرت هوك ، أعاد إسحاق نيوتن النظر في هذه الفكرة وأظهر أنه إذا انقلبت الأرض على نفسها ، فيجب أن ينحرف مسار الرصاصة المتساقطة نحو الشرق. ثم فهم بعد ذلك أن تجربة السقوط الحر كانت وسيلة لإثبات دوران الأرض بطريقة تجريبية. كان هذا السؤال قضية أساسية فيالسابع عشره قرن، وهي الفترة التي شهدت ولا سيما إدانة غاليليو من قبل الكنيسة. لقناعاته مركزية الشمس (ولكن حيث يسمح نيوتن لندن المزيد من الحرية في استكشاف هذه الأفكار من إيطاليا غاليليو).

إقرأ أيضا:دخان الحرائق وصحة الإنسان

السقوط الحر : وصف سقوط الجسم يعتمد إلى حد كبير على فهم الفيزيائيين لكيفية تغير السرعة الأفقية للجسم

ومع ذلك ، فإن وصف سقوط الجسم يعتمد إلى حد كبير على فهم الفيزيائيين لكيفية تغير السرعة الأفقية للجسم أثناء السقوط. كان من الممكن بالفعل استنتاجها من قانون المناطق ، الذي ذكره يوهانس كبلر قبل بضعة عقود في إطار حركة الكواكب (تنص على أن الجزء الذي يربط الشمس بكوكب على مسار. يكتسح مساحات متساوية مرات). لكن لم يتخيل أحد في ذلك الوقت أن هذه القوانين ، المتعلقة بحركة الأجرام السماوية . يمكن أن يكون لها أدنى صلة بفهم سقوط الأجسام على الأرض.

بشكل أكثر عمومية ، يتطلب فهم سقوط الأجسام امتلاك فكرة القصور الذاتي ، وفهم مفهوم القوة وإتقان فكرة تغيير الإطار المرجعي. على الرغم من التطورات المفاهيمية التي ساهم فيها ، لم يكن هذا هو الحال مع جاليليو. على سبيل المثال ، بالنسبة له ، فإن الجسد الذي يسقط من أعلى برج ويكون له الحرية في عبور الأرض سيصف (بالنسبة لمراقب “ثابت”) قوسًا كبيرًا لدائرة من شأنها أن تنقله .بالضبط إلى مركز أرض؛ كانت الفرضية ذكية من عدة جوانب (ينتج عنها على وجه الخصوص أن الأجسام تتسارع بشكل موحد إلى أسفل ، بالنسبة للمراقب الأرضي ، بالاتفاق مع الملاحظات) ، ولكنها منفصلة تمامًا عن أي فكرة عن الديناميكيات.

إقرأ أيضا:الفطريات

لم يكن هذا هو الحال مع نيوتن

لم يكن هذا هو الحال مع نيوتن أيضًا في عام 1679 (قبل سنوات من نشر كتابه Principia Mathematica ) ، الذي تصور بدلاً من ذلك مسارًا حلزونيًا ناتجًا عن تكوين حركة دائرية منتظمة وحركة شعاعية متسارعة. ، حلزوني ينتهي أيضًا في مركز الأرض.

ردد استجواب نيوتن ما كان هوك قد أجرى بالفعل قبل بضع سنوات. كانت هذه نقطة البداية لمراسلات بين الرجلين حول مسألة مسار جسم في حالة سقوط حر على أرض تدور.

اختلف هوك مع استنتاجات نيوتن: بالنسبة له . لم يكن المسار قوسًا لدائرة ولا حلزونيًا ، ولكنه قطع ناقص (سيثبت المستقبل أنه على حق جزئيًا في هذه النقطة . حتى لو كان بالنسبة له حدسًا مستنيرًا أكثر منه مظاهرة حقيقية) ، ويجب أن يصاحب. السقوط انحراف نحو الجنوب أهم من الانحراف نحو الشرق. في عام 1680 ، ادعى هوك أنه لاحظ هذين الانحرافين من خلال دراسة سقوط الجثث من ارتفاع 8 أمتار. لكنه لم يستطع إعادة إنتاج هذه التجارب أمام الجمعية الملكية عندما طلب منه ذلك.

السقوط الحر : في عام 1726

في عام 1726 ، كشف نيوتن عن النسخة المكتملة من نظريته في الجاذبية العامة في نسخته الثالثة من Principia Mathematica. . تتجاذب جميع الأجسام بعضها البعض وفقًا لقوة تتناقص مع المسافة التي تفصل بينها (ستكون أبوة هذه الفكرة في قلب إحدى الحروب التي شنها هوك ونيوتن). الجسم الذي تم إسقاطه من أعلى الصاري لم يعد يتحرك باتجاه مركز الأرض لأنه مكانه الطبيعي وفقًا للرؤية الأرسطية . ولكنه يخضع لقوة موجهة نحو مركز الأرض ، المكان الأوسط للجاذبية من جميع الأجزاء المكونة لهذا الكوكب. ويترتب على ذلك على وجه الخصوص أن الجسم لا يصل أبدًا إلى مركز الأرض ، وفي حالة الأرض. ذات الكثافة الكروية المتجانسة ، يصف القطع الناقص مع نفس مركز الأرض (بالنسبة إلى هوك ، كان القطع الناقص بعيدًا عن المركز).

في ذلك الوقت من التاريخ ، قدمت قوانين ميكانيكا نيوتن جميع العناصر بحيث يمكن دراسة تأثير دوران الأرض على سقوط الأجسام بدقة ، مرة واحدة وإلى الأبد: يمكننا حساب المسار بالضبط في الإطار غير الدوار مرجعية واستنتاج من ذلك المسار في الإطار المرجعي الأرضي. وبالتالي الانحراف عن الرأسي. ومع ذلك ، هذا ليس كيف اتضح. بتعبير أدق ، لم يحدث شيء لمدة قرن. لم يسع نيوتن نفسه .إلى الخوض في هذا الموضوع ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى أنه ابتعد بنشاط عما قد يؤدي به إلى الصراع مع أقرانه. لم يكن أنصارها الأوائل متحمسين لهذا العمل من الانحراف شرقًا وجنوبيًا أيضًا ،

عام 1791

بعد قرن من الزمان ، في عام 1791 ، تناول الإيطالي جيوفاني .غوغليلميني السؤال وأجرى عدة تجارب سقوط أكثر تفصيلاً من تلك التي قام بها هوك ، وذلك بإسقاط أشياء من ارتفاع 78 .مترًا من برج أسينيلي إلى بولونيا. لم يعد هدفها إظهار دوران الأرض (ثم اعترف جيدًا منذ أن مركزية الشمس. الكوبرنيكية كانت لها الأسبقية بالتأكيد على مركزية الأرض) ، ولكن للتحقق من قوانين نيوتن للميكانيكا من الناحية الكمية. لقد تولى عناية خاصة لإجراء تجاربه في جو هادئ ، وطور نظام إطلاق حد من السرعات الجانبية الأولية للكرات وحدد نقاط التأثير تحت المجهر. وجد انحرافًا إلى الشرق بمقدار 1.9 سم وإلى الجنوب بمقدار 1.2 سم.

السقوط الحر : مقياس صعب


لسوء الحظ ، تضاءل الاهتمام بهذه القياسات إلى حد كبير. بسبب عدم تمكنه من تحديد الموقع المرجعي (النقطة التي ستسقط فيها الكرات إذا لم تنحرف) إلا بعد ستة أشهر من إطلاق التجارب .ومن المحتمل أن الجهاز قد خضع لتغييرات خلال هذه الفترة. يفسر هذا التأخير بصعوبة هذا التحديد: من الضروري تحديد موقع التوازن لخط راسيا ، أي نواس بطول 78 مترًا. يمكننا أن نتخيل بسهولة أن أدنى اهتزاز أو أدنى تيار يمنع النظام من أن يكون في حالة توازن. كان علينا أن ننتظر الظروف الجوية الهادئة بشكل خاص ، ليس على مقياس لبضع ثوان مثل السقوط ، ولكن لعدة أيام.

عام 1802

بعد سنوات قليلة ، بدأ يوهان فريدريش بنزنبرغ .عالم الفلك والجيولوجيا والفيزيائي الألماني ، بدوره في معالجة المشكلة بجدية ، وذلك بفضل سلسلتين من التجارب. في الأول عام 1802 ، أطلق 31 كرة من الرخام من ارتفاع 76 مترًا من برج كنيسة القديس ميخائيل في هامبورغ. وجد انحرافات تتراوح بين 2.8 سم في الغرب. و 4.7 سم في الشرق ، وما بين 2.3 سم في الشمال و 3.7 سم في الجنوب. كانت هذه القياسات مشتتة على نطاق واسع . ولكن يبدو أنها تحتوي على عدم تناسق: يشير المتوسط ​​إلى انحراف 9 ملم في الشرق و 3.3 ملم في الجنوب. استعان بنزنبرغ بمساعدة هاينريش أولبرز ، عالم الفلك الذي يرتبط اسمه اليوم بمفارقة الليل المظلم (التي تتلخص في هذا السؤال:

السقوط الحر : أحد أعظم علماء الرياضيات في ذلك الوقت

درس أولبرز السؤال وقدمه بدوره إلى كارل فريدريش جاوس ، أحد أعظم علماء الرياضيات في ذلك الوقت. كان الفلكي والفيزيائي الفرنسي بيير سيمون دي لابلاس مهتمًا بها أيضًا ، ربما بدافع من اهتمام غاوس: لقد اعتادوا على التنافس على النقاط العلمية. تم توجيههم ، من خلال وصف حركة السقوط في الإطار المرجعي الأرضي الدوار ، لتفصيل التأثير الدقيق الذي وجده عالم الرياضيات والمهندس الفرنسي غوستاف كوريوليس بعد بضعة عقود ، والذي نطلق عليه الآن “قوة كوريوليس”.

يتعلق الأمر بحقيقة أن مسار الجسم الذي يتحرك في خط مستقيم ، بسرعة ثابتة ، في إطار مرجعي “ثابت” ، يُنظر إليه على أنه منحنى لمراقب مرتبط بإطار مرجعي دوار. يفسر هذا المراقب هذا الانحناء على أنه تأثير قوة (قوة كوريوليس) ، والتي يريد البعض وصفها بأنها خيالية ، تمامًا مثل قوة الطرد المركزي ، لأنها لا تتجلى في الإطار المرجعي “الثابت”. هذه الخاصية بالتحديد هي التي تجعلها مسبارًا ممتازًا للطبيعة الدوارة أم لا لإطار مرجعي ؛ يعود الفضل في ذلك إلى أن بندول فوكو (1851) يظهر دوران الأرض على نفسها.

السابق
الباذنجان
التالي
عالمية السقوط الحر