الميكانيكا · الفصل 9 — الجاذبيةכבידה · פיזיקה 5 יח"ל⌂📚🏠
الفصل 9

الجاذبية

כבידה
الفيزياء — 5 وحدات تعليمية · 20 ساعات تعليمية

لماذا تدور الكواكب حول الشمس ولا تهرب منها؟ ولماذا يبقى القمر في مداره بينما تسقط التفّاحة من الشجرة؟ احتاج الإنسان إلى آلاف السنين من الرصد والتفكير حتى فهم أنّ القوّة التي تُسقط التفّاحة هي نفسها القوّة التي تمسك القمر والكواكب في مداراتها. في هذا الفصل نتتبّع هذه القصّة من اليونان القديمة حتى نيوتن، نتعرّف على قوانين كبلر، نصوغ قانون الجذب العام ونستعمله لحساب كتل الكواكب وحركة الأقمار الاصطناعية، ثم ندرس مجال الجاذبية والطاقة فيه، ونحسب السرعة اللازمة للإفلات من الأرض.

في نهاية هذا الفصل سنعرف أن:
  • نصف تطوّر نماذج الكون من مركزية الأرض إلى مركزية الشمس، ونعرف ما الذي حسم الخلاف بينهما.
  • نصوغ قوانين كبلر الثلاثة ونستعمل القانون الثالث T2 ∝ a3 في الحساب.
  • نستنتج قانون التربيع العكسي من قانون كبلر الثالث، ونفهم لماذا «يسقط القمر» مثل التفّاحة.
  • نكتب قانون الجذب العام F = G·m1·m2r2 ونحسب به قوى وكتلا وتسارعات.
  • نحلّل حركة القمر الاصطناعي في مدار دائري: السرعة، زمن الدورة، وكتلة الكوكب من بيانات قمره.
  • نعرّف مجال الجاذبية وشدّته g = G·Mr2، ونميّز بين المجال المركزي والمجال المنتظم.
  • نستعمل طاقة الثقل الوضعية UG = −G·M·mr في حفظ الطاقة، ونحسب سرعة الإفلات وطاقة الربط والطاقة الكلّية لقمر اصطناعي.

רקע היסטורי וחוקי קפלר – خلفية تاريخية وقوانين كبلر (Historical Background and Kepler's Laws)

قبل أن نكتب أيّ معادلة، نتوقّف عند السؤال الذي شغل الإنسان منذ القدم: كيف تتحرّك الأجرام في السماء، وما مكان الأرض بينها؟ الجواب الذي نعرفه اليوم لم يأتِ دفعة واحدة، بل بُني طبقة فوق طبقة على مدى ألفَي سنة. نتتبّع هنا المحطّات الرئيسية في هذه القصّة، لأنّ فهم الطريق يساعدنا على فهم القانون الذي ينتظرنا في نهايتها.

فيثاغورس وأرسطو — الأرض في المركز – פיתגורס ואריסטו — הארץ במרכז:

في القرن السادس قبل الميلاد علّم فيثاغورس وتلاميذه أنّ الأرض كرة، وأنّها ساكنة في مركز الكون، وأنّ الشمس والقمر والكواكب والنجوم تدور حولها على كرات شفّافة بحركة دائرية منتظمة. هذا هو نموذج مركزية الأرض (מודל גאוצנטרי): الأرض في المركز، وكلّ شيء يدور حولها. كان لهذا النموذج ما يدعمه في الحسّ المباشر: نحن لا نشعر بحركة الأرض، ونرى الشمس والنجوم تشرق في الشرق وتغرب في الغرب كلّ يوم.

في القرن الرابع قبل الميلاد أعطى أرسطو هذا النموذج أساسا فلسفيا وفيزيائيا بقي سائدا نحو ألفَي سنة. قسّم أرسطو الكون إلى عالمين مختلفين في طبيعتهما:

ملاحظة: في فيزياء أرسطو ليس للسقوط وللحركة الدائرية في السماء أيّ علاقة: هذه حركة أرضية وتلك حركة سماوية، ولكلّ منهما قوانينها. أعظم ما فعله نيوتن بعد ألفَي سنة هو أنّه هدم هذا الجدار: قانون واحد يحكم سقوط التفّاحة ودوران القمر.

بطليموس — فلك التدوير والفلك الحامل – תלמי — מעגל משני ומעגל ראשי:

كان في نموذج الكرات البسيط عيب واضح: الكواكب لا تتحرّك في السماء بانتظام. عندما نرصد المرّيخ مثلا ليلة بعد ليلة بين النجوم، نراه يتقدّم شرقا، ثم يبطئ ويتوقّف، ثم يعود غربا لبضعة أسابيع، ثم يتوقّف مرّة أخرى ويعود إلى تقدّمه. تسمّى هذه الظاهرة الحركة التراجعية (תנועה נסוגה)، ولا يمكن لحركة دائرية منتظمة واحدة حول الأرض أن تنتجها. كما يتغيّر لمعان الكوكب خلال ذلك، وكأنّه يقترب ويبتعد.

الأرضالفلك الحاملفلك التدويرالكوكبالمسار كما يُرى من الأرض
نموذج بطليموس: الكوكب يدور على دائرة صغيرة (فلك التدوير) مركزُها يدور على دائرة كبيرة (الفلك الحامل) حول الأرض؛ المسار الناتج يحتوي على عُقد تفسّر الحركة التراجعية

في القرن الثاني للميلاد بنى بطليموس في الإسكندرية نموذجا رياضيا يحلّ هذه المشكلة ويحافظ على الأرض في المركز وعلى الحركة الدائرية المنتظمة. الفكرة: الكوكب لا يدور حول الأرض مباشرة، بل يدور على دائرة صغيرة تسمّى فلك التدوير (אפיציקל — מעגל משני)، ومركز هذه الدائرة هو الذي يدور حول الأرض على دائرة كبيرة تسمّى الفلك الحامل (מעגל ראשי). عندما يكون الكوكب في الجزء الداخلي من فلك التدوير تكون حركته معاكسة لحركة المركز، فيبدو من الأرض وكأنّه يتراجع، ويكون في الوقت نفسه أقرب إلينا وأكثر لمعانا.
بإضافة أفلاك تدوير وتعديلات أخرى استطاع بطليموس التنبّؤ بمواقع الكواكب بدقّة لا بأس بها، وبقي كتابه «المجسطي» المرجع الأوّل في علم الفلك، عند العرب وفي أوروبا، نحو أربعة عشر قرنا.

كوبرنيكوس — نموذج مركزية الشمس – קופרניקוס — המודל ההליוצנטרי:

في سنة 1543 نشر الفلكي البولندي نيكولاوس كوبرنيكوس كتابه «في دوران الأجرام السماوية»، واقترح فيه نموذج مركزية الشمس (מודל הליוצנטרי): الشمس ساكنة في المركز، والأرض كوكب كسائر الكواكب يدور حولها مرّة في السنة ويدور حول محوره مرّة في اليوم، والقمر وحده يدور حول الأرض.

خلفية النجوم البعيدة112233445512345الشمسالأرضالمرّيخالمواقع 1–5 في أزمنة متتالية
تفسير الحركة التراجعية في نموذج مركزية الشمس: الأرض (أزرق) أسرع من المرّيخ (أحمر)، وعندما تتجاوزه (المواقع 2–4) يبدو موقعه على خلفية النجوم البعيدة (بنفسجي) وكأنّه يعود إلى الوراء

مزايا النموذج:

عيوب النموذج ومصاعبه:

تيخو براهي — الرصد الدقيق – טיכו ברהה — תצפיות:

لم يحسم الخلاف بين النموذجين الجدلُ الفلسفي، بل القياس. الفلكي الدنماركي تيخو براهي (1546–1601) بنى في جزيرته مرصدا ضخما وأدوات رصد كبيرة ودقيقة (بلا مقراب، فالمقراب لم يُخترع بعد)، ورصد على مدى أكثر من عشرين سنة مواقع الكواكب والنجوم بدقّة لم يسبقه إليها أحد: نحو دقيقة قوسية واحدة، أي جزء من ستّين من الدرجة — عشر مرّات أدقّ من كلّ ما سبقه. كما رصد سنة 1572 نجما جديدا يظهر ثم يخبو (مستعرّا أعظم)، وفي سنة 1577 مذنّبا يتحرّك فيما وراء القمر — دليلان على أنّ السماء «الكاملة التي لا تتغيّر» عند أرسطو تتغيّر فعلا.

لم يقبل تيخو نموذج كوبرنيكوس، واقترح نموذجا وسطا تدور فيه الكواكب حول الشمس وتدور الشمس مع كلّ الكواكب حول أرض ساكنة. لكنّ أهمّ ما تركه ليس نموذجه، بل جداول رصده الدقيقة — وخاصّة رصد المرّيخ — التي ورثها مساعده الشابّ يوهانس كبلر.

غاليليو — اكتشافات المقراب – גלילאו — תגליות בטלסקופ:

في سنة 1609 سمع غاليليو غاليلي باختراع المقراب (التلسكوب) في هولندا، فصنع لنفسه مقرابا محسّنا ووجّهه نحو السماء. خلال أشهر قليلة اكتشف أربع ظواهر غيّرت صورة الكون:

  1. سطح القمر: رأى جبالا وفوّهات وسهولا وظلالا تتغيّر مع ارتفاع الشمس عليها، وقاس ارتفاع الجبال من أطوال ظلالها. القمر إذًا جرم أرضيّ الطبيعة، وليس كرة ملساء كاملة من «الأثير» كما قال أرسطو.
  2. درب التبّانة: الشريط الضبابي الذي يعبر السماء تبيّن أنّه مكوّن من آلاف النجوم الخافتة التي لا تراها العين المجرّدة. الكون أكبر وأغنى بكثير ممّا ظُنّ، والنجوم قد تكون بعيدة جدّا — وهذا يدعم جواب كوبرنيكوس عن اختلاف المنظر.
  3. أقمار المشتري: رأى بجانب المشتري أربع نقاط مضيئة تغيّر موقعها ليلة بعد ليلة، وتابعها حتى تأكّد أنّها أقمار تدور حوله. هذه ضربة قاصمة لحجّة أساسية ضدّ كوبرنيكوس: «لو كانت الأرض تدور حول الشمس لتخلّف القمر عنها». ها هي أجرام تدور حول جرم متحرّك، وها هو مركز دوران في الكون ليس هو الأرض.
  4. أطوار الزهرة: رأى أنّ للزهرة أطوارا كأطوار القمر — هلالا ونصفا وأحدب وبدرا — وأنّ حجمها الظاهري يتغيّر كثيرا بين طور وآخر.
الشمسالأرض12345مدار الزهرةالزهرة كما تُرى من الأرض في المقراب12345
أطوار الزهرة: في الأعلى مدار الزهرة حول الشمس كما يُرى من فوق، ونصفها المواجه للشمس مضاء؛ في الأسفل كيف يبدو كلّ موقع من الأرض في المقراب. البدر الصغير (5) ممكن فقط إذا كانت الزهرة وراء الشمس — أي إذا كانت تدور حول الشمس وليس حول الأرض

كان اكتشاف أطوار الزهرة هو الأهمّ: في نموذج بطليموس تبقى الزهرة دائما بين الأرض والشمس، فلا يمكن أن نرى منها إلّا هلالا. أمّا رؤية الزهرة بدرا كاملا صغيرا، ثم هلالا كبيرا، فلا تفسير لها إلّا أنّ الزهرة تدور حول الشمس، وتكون أحيانا وراءها وأحيانا أمامها. كتب غاليليو عن هذه الاكتشافات في «رسول النجوم» (1610)، وصار المدافع الأشهر عن نموذج كوبرنيكوس، ودفع ثمن ذلك محاكمةً وإقامة جبرية.

العالمالفترةمساهمته في القصّة
فيثاغورسالقرن 6 ق.م.الأرض كرة في مركز الكون، والأجرام تدور حولها على كرات
أرسطوالقرن 4 ق.م.عالم تحت قمري متغيّر وعالم فوق قمري كامل؛ الحركة السماوية دائرية منتظمة
بطليموسالقرن 2 م.فلك التدوير والفلك الحامل لتفسير الحركة التراجعية
كوبرنيكوس1543الشمس في المركز، والأرض كوكب يدور حولها
تيخو براهي1572–1601رصد دقيق لعشرات السنين؛ السماء تتغيّر
غاليليو1609–1610سطح القمر، درب التبّانة، أقمار المشتري، أطوار الزهرة
كبلر1609–1619القوانين الثلاثة لحركة الكواكب
نيوتن1687قانون الجذب العام يفسّر قوانين كبلر وسقوط الأجسام معا
سؤال 9.1: أيّ من اكتشافات غاليليو الأربعة يناقض نموذج بطليموس مباشرة، وأيّ منها يردّ على الحجّة «لو تحرّكت الأرض لتخلّف القمر عنها»؟
نشاط: في ليلة صافية وجّهوا منظارا ثنائيّ العين نحو المشتري (يبدو كنجم ساطع لا يرمش). سترون بجانبه نقاطا صغيرة على خطّ واحد — أقمار غاليليو. ارصدوها ثلاث ليالٍ متتالية وارسموا مواقعها: ستتبدّل من ليلة إلى ليلة، تماما كما رآها غاليليو سنة 1610.

كبلر — القوانين الثلاثة لحركة الكواكب – קפלר — שלושת החוקים:

حاول يوهانس كبلر (1571–1630) سنوات طويلة أن يوفّق بين رصد تيخو للمرّيخ وبين مدار دائري حول الشمس، فبقي فرق صغير عنيد مقداره ثماني دقائق قوسية. وثق كبلر بدقّة تيخو أكثر ممّا وثق بالدائرة، فتخلّى عن فكرة عمرها ألفا سنة وجرّب شكلا آخر: القطع الناقص. هنا انطبق الحساب على الرصد تماما. صاغ كبلر نتائجه في ثلاثة قوانين، نشر الأوّلَين سنة 1609 والثالث سنة 1619.

القطع الناقص (אליפסה): هو المحلّ الهندسي لكلّ النقاط التي يكون مجموع بُعديها عن نقطتين ثابتتين، تسمّيان البؤرتين (מוקדים)، ثابتا. نصف أطول قطر فيه يسمّى نصف المحور الأكبر ويرمز له a، ومجموع البُعدين عن البؤرتين يساوي 2a. كلّما تقاربت البؤرتان اقترب القطع الناقص من الدائرة، وعندما تنطبقان يصبح دائرة نصف قطرها a.
r1r2الشمس (في البؤرة)البؤرة الثانيةالكوكبaالحضيضالأوجr₁ + r₂ = 2a
القطع الناقص: الشمس في إحدى البؤرتين (لا في المركز)، والبؤرة الثانية فارغة. لكلّ موقع للكوكب r1 + r2 = 2a. أقرب نقطة إلى الشمس هي الحضيض، وأبعدها الأوج
قانون كبلر الأوّل — قانون المدارات · חוק קפלר הראשון
r1 + r2 = 2a
الرمزالمعنىوحدة القياس
aنصف المحور الأكبر للمدار[m]
r1 , r2بُعدا الكوكب عن البؤرتين[m]

نصّ القانون الأوّل: يدور كلّ كوكب حول الشمس في مسار على شكل قطع ناقص، تقع الشمس في إحدى بؤرتيه.

ملاحظة: مدارات معظم الكواكب قريبة جدّا من الدائرة: في مدار الأرض يختلف بُعد الحضيض عن بُعد الأوج بنحو 3 بالمئة فقط. لذلك سنستعمل في الحسابات غالبا تقريب المدار الدائري، ونصف القطر r يقوم مقام a. أمّا المذنّبات فمداراتها مستطيلة جدّا.

نصّ القانون الثاني (قانون المساحات): الخطّ الواصل بين الشمس والكوكب يمسح مساحات متساوية في أزمنة متساوية.

vpvaA₁A₂A₁ = A₂ في زمنين متساويين
قانون المساحات: المساحتان الملوّنتان متساويتان ويمسحهما الكوكب في الزمن نفسه. قرب الحضيض القوس طويل والكوكب سريع، وقرب الأوج القوس قصير والكوكب بطيء

معنى القانون: سرعة الكوكب ليست ثابتة. عندما يقترب من الشمس يُسرع، وعندما يبتعد يُبطئ. يمكن أن نستخرج من القانون علاقة كمّية في نقطتي الحضيض والأوج: في زمن قصير Δt يقطع الكوكب قوسا صغيرا طوله v·Δt، والمساحة التي يمسحها الخطّ الواصل هي تقريبا مساحة مثلّث قاعدته v·Δt وارتفاعه r (في الحضيض والأوج تكون السرعة عمودية على الخطّ الواصل):

ΔA = 12·r·v·Δt

بما أنّ المساحات المسوحة في الزمن نفسه متساوية، نحصل على:

قانون كبلر الثاني — في الحضيض والأوج · חוק קפלר השני — חוק השטחים
rp·vp = ra·va
الرمزالمعنىوحدة القياس
rp , vpالبُعد عن الشمس والسرعة في الحضيض[m] , [m/s]
ra , vaالبُعد عن الشمس والسرعة في الأوج[m] , [m/s]
مثال 9.1
يدور مذنّب حول الشمس في مدار إهليلجي. بُعد الحضيض 1·1011 m وسرعة المذنّب فيه 50 km/s، وبُعد الأوج 5·1011 m. نحسب سرعة المذنّب في الأوج، ونصف المحور الأكبر للمدار.
الحل:

من قانون المساحات في الحضيض والأوج:

rp·vp = ra·va
va = rp·vpra = 1·1011 · 505·1011 = 10 km/s

السرعة في الأوج أصغر خمس مرّات، لأنّ البُعد أكبر خمس مرّات. والمحور الأكبر هو مجموع بُعدَي الحضيض والأوج:

2a = rp + ra
a = 1·1011 + 5·10112 = 3·1011 m
va = 10 km/s , a = 3·1011 m
سؤال 9.2: بُعد الأوج لكوكب يساوي 1.6 أضعاف بُعد الحضيض. ما النسبة بين سرعته في الحضيض وسرعته في الأوج؟ وأين تكون طاقته الحركية أكبر؟

نصّ القانون الثالث (قانون الأزمنة): مربّع زمن دورة الكوكب حول الشمس يتناسب طرديا مع مكعّب نصف المحور الأكبر لمداره. النسبة T2a3 واحدة لجميع الكواكب التي تدور حول الشمس نفسها.

قانون كبلر الثالث — قانون الأزمنة · חוק קפלר השלישי
T2a3 = const
T12T22 = a13a23
الرمزالمعنىوحدة القياس
Tزمن دورة الكوكب حول الشمس[s]
aنصف المحور الأكبر (في المدار الدائري: نصف القطر r)[m]

يبيّن الجدول قيمة النسبة T2a3 لستّة كواكب. البُعد مقيس بالوحدة الفلكية (יחידה אסטרונומית) 1 AU = 1.5·1011 m وهي البُعد المتوسّط بين الأرض والشمس، والزمن بالسنوات. بهذه الوحدات تساوي النسبة 1 بالضبط للأرض، وتقريبا 1 لجميع الكواكب الأخرى — هذا هو القانون الثالث.
النسبة ثابتة لكلّ الأجرام التي تدور حول الجرم المركزي نفسه؛ لأقمار المشتري ثابت آخر، ولأقمار الأرض الاصطناعية ثابت ثالث. في البند التالي سنفهم من أين يأتي هذا الثابت.

الكوكبa [AU]T [سنة]a³T²T² / a³
عطارد0.3870.2410.060.061
الزهرة0.7230.6150.380.381
الأرض11111
المرّيخ1.5241.8813.543.541
المشتري5.20311.86140.85140.661
زحل9.5429.46868.25867.891
12341234a³T²عطاردالزهرةالأرضالمرّيخ(AU³)(سنة²)
مربّع زمن الدورة كدالّة لمكعّب نصف المحور الأكبر للكواكب الأربعة الداخلية (بالوحدة الفلكية والسنة): النقاط على خطّ مستقيم واحد يمرّ بنقطة الأصل — هذا هو معنى القانون الثالث
مثال 9.2
نصف المحور الأكبر لمدار المرّيخ هو 1.524 AU. نحسب زمن دورته حول الشمس بالسنوات، مستعينين بالأرض (a = 1 AU ، T = 1 سنة).
الحل:

نكتب القانون الثالث للمرّيخ وللأرض ونقسم:

TM2aM3 = TE2aE3
TM2 = TE2·aM3aE3 = 12 · 1.524313 = 3.54
TM = 3.54 = 1.88

زمن دورة المرّيخ نحو 1.88 سنة، أي سنة أرضية و11 شهرا تقريبا.

TM = 1.88 yr
مثال 9.3
MABrArB
يدور قمران حول كوكب في مدارين دائريين (انظروا الرسم). نصف قطر مدار القمر A هو 2·108 m وزمن دورته 5 أيام، ونصف قطر مدار القمر B هو 8·108 m. نحسب زمن دورة القمر B.
الحل:

القمران يدوران حول الجرم المركزي نفسه، فالنسبة T2r3 واحدة لهما:

TB2rB3 = TA2rA3
TBTA = rB3rA3 = (8·108)3(2·108)3 = 43 = 8

نصف القطر أكبر أربع مرّات، فزمن الدورة أكبر ثماني مرّات:

TB = 8·TA = 8 · 5 d = 40 d

لاحظوا أنّنا لم نحتج إلى تحويل الأيام إلى ثوانٍ ولا إلى معرفة كتلة الكوكب: في النسبة تُختصر الوحدات والثوابت.

TB = 8·TA = 40 d
مثال 9.4
من أقمار المشتري التي اكتشفها غاليليو: «آيو» يدور في مدار نصف قطره 4.22·108 m بزمن دورة 1.77 يوما، و«غانيميد» في مدار نصف قطره 1.07·109 m. نحسب زمن دورة غانيميد.
الحل:

القمران يدوران حول المشتري، فالقانون الثالث ينطبق عليهما بالثابت نفسه:

TGTI = rG3rI3 = (1.07·109)3(4.22·108)3 = 4.04
TG = 4.04 · 1.77 d = 7.15 d

هذا بالضبط ما رصده غاليليو: نحو سبعة أيام. انتبهوا أنّ الثابت T2r3 لأقمار المشتري يختلف عن ثابت الكواكب حول الشمس.

TG = 7.15 d
سؤال 9.3: يدور كويكب حول الشمس في مدار نصف محوره الأكبر 9 AU. احسبوا زمن دورته بالسنوات. وما هو نصف المحور الأكبر لمذنّب هالي الذي زمن دورته 75 سنة؟
مثال 9.5
نحسب ثابت كبلر للشمس بوحدات SI من بيانات الأرض (r = 1.5·1011 m ، T = 3.156·107 s)، ثم نستعمله لحساب زمن دورة المرّيخ الذي نصف قطر مداره 2.28·1011 m.
الحل:
k = T2r3 = (3.156·107)2(1.5·1011)3 = 2.95·10−19 s²/m³

هذا الثابت واحد لكلّ ما يدور حول الشمس. للمرّيخ:

T2 = k·r3 = 2.95·10−19 · (2.28·1011)3 = 3.5·1015 s²
T = 5.91·107 s = 1.87 yr

النتيجة نفسها التي حصلنا عليها بالوحدة الفلكية والسنة. في البند التالي سنرى أنّ k = 4π2G·MS — أي أنّ الثابت يحمل في داخله كتلة الشمس.

k = 2.95·10−19 s²/m³ , T = 1.87 yr
▶تجربة حية — قوانين كبلر الثلاثةنغيّر نصف المحور الأكبر والاستطالة، نشغّل الكوكب من الحضيض ونراقب القطاعين المتساويين، ونقرأ زمن الدورة ونفحص القانون الثالث.
⚠
المختبر غير متاح الآن. المادة في هذا الفصل كاملة من دونه — نواصل القراءة، ونعود إلى التجربة لاحقا أو نفتحها مباشرة من الرابط الذي تحت الإطار.
https://fahed-lab.com/physics/mechanics_gravitation#kepler
نفتح المختبر في صفحة مستقلة ↗ fahed-lab.com/physics/mechanics_gravitation#kepler

חוק הכבידה – قانون الجذب العام (The Law of Universal Gravitation)

من قانون كبلر الثالث إلى قانون التربيع العكسي – מחוק קפלר השלישי לחוק הריבוע ההפוך:

وصف كبلر كيف تتحرّك الكواكب، لكنّه لم يعرف لماذا. الجواب جاء من إسحاق نيوتن سنة 1687 في كتابه «المبادئ». نسير في طريقه مستعملين تقريب المدار الدائري: كوكب كتلته m يدور حول الشمس في دائرة نصف قطرها r بزمن دورة T. تعلّمنا في الفصل الخامس أنّ الحركة الدائرية المنتظمة تحتاج إلى قوّة مركزية مقدارها:

F = m·v2r = m·4π2·rT2

(لأنّ v = 2π·rT). الآن نُدخل قانون كبلر الثالث: T2 = k·r3 حيث k ثابت واحد لكلّ الكواكب. نعوّض:

F = m·4π2·rk·r3 = 4π2k·mr2

حصلنا على نتيجة مهمّة: القوّة التي تمسك الكوكب في مداره تتناسب طرديا مع كتلة الكوكب وعكسيا مع مربّع بُعده عن الشمس:

F ∝ mr2

وبحسب قانون نيوتن الثالث، الكوكب يجذب الشمس بقوّة مساوية في المقدار؛ وبالتماثل يجب أن تتناسب هذه القوّة أيضا مع كتلة الشمس M. هكذا وصل نيوتن إلى الشكل العامّ F ∝ M·mr2. بقي سؤال جريء: هل هذه القوّة هي نفسها التي تُسقط الأجسام على الأرض؟

«القمر يسقط» — الفكرة الكبرى عند نيوتن – "הירח נופל" — הרעיון הגדול של ניוטון:

الأرضالقمرvبلا جاذبيةيسقط نحو الأرضrالتفّاحةتسقط بتسارع g
لو لم تكن جاذبية لتابع القمر حركته في خطّ مستقيم (الخطّ الأخضر المتقطّع). في كلّ لحظة «يسقط» نحو الأرض عن هذا الخطّ، تماما كالتفّاحة — لكن بتسارع أصغر بكثير

قصّة التفّاحة مشهورة، وجوهرها هذا: التفّاحة تسقط نحو الأرض بتسارع g. والقمر؟ لو لم تؤثّر عليه قوّة لتحرّك في خطّ مستقيم بحسب قانون القصور الذاتي. لكنّه يدور في دائرة، أي ينحرف باستمرار عن الخطّ المستقيم نحو الأرض. القمر إذًا يسقط أيضا، بتسارع راديالي a = 4π2·rT2 — لكنّه لا يصل إلى الأرض أبدا لأنّ له سرعة مماسّية كبيرة.
سأل نيوتن: إذا كانت القوّة التي تُسقط التفّاحة والقوّة التي تُسقط القمر قوّة واحدة تتناسب مع 1r2، فيجب أن تكون النسبة بين تسارع التفّاحة وتسارع القمر مساوية للنسبة العكسية بين مربّعَي بُعديهما عن مركز الأرض. التفّاحة على بُعد R (نصف قطر الأرض) والقمر على بُعد r:

amoong = R2r2
مثال 9.6
نفحص فرضية نيوتن. زمن دورة القمر حول الأرض 27.3 يوما، وبُعده عن مركز الأرض 3.84·108 m، ونصف قطر الأرض 6.37·106 m. نحسب التسارع الراديالي للقمر من حركته، ثم نحسب ما يتوقّعه قانون التربيع العكسي من g، ونقارن.
الحل:

أ. التسارع الراديالي من زمن الدورة ونصف القطر (نحوّل الأيام إلى ثوانٍ):

T = 27.3 · 86400 = 2.36·106 s
amoon = 4π2·rT2 = 4π2 · 3.84·108(2.36·106)2 = 2.72·10−3 m/s²

ب. ما يتوقّعه قانون التربيع العكسي: بُعد القمر أكبر من نصف قطر الأرض بنسبة rR = 60.3 مرّة، فالتسارع يجب أن يكون أصغر من g بمقدار مربّع هذه النسبة:

amoon = g·R2r2 = 10 · (6.37·1063.84·108)2 = 103634 = 2.75·10−3 m/s²

القيمتان متقاربتان جدّا (الفرق نحو 1 بالمئة ناتج عن تقريب g = 10؛ وبالقيمة الأدقّ 9.8 m/s² يصبح التطابق شبه تامّ). الاستنتاج: القوّة التي تُسقط التفّاحة هي نفسها التي تُبقي القمر في مداره، وهي تضعف بالتربيع العكسي للبُعد.

amoon ≈ 2.72·10−3 m/s² ≈ g3600

صياغة قانون الجذب العام – ניסוח חוק הכבידה:

قانون الجذب العام (חוק הכבידה האוניברסלי): (قانون الجاذبية) كلّ جسمين في الكون يجذب أحدهما الآخر بقوّة تتناسب طرديا مع حاصل ضرب كتلتيهما وعكسيا مع مربّع البُعد بينهما. القوّة تؤثّر بمحاذاة الخطّ الواصل بين مركزَي الجسمين، وهي دائما قوّة جذب.
m1m2F12F21r
زوج قوى الجذب بين جسمين: متساويتان في المقدار ومتعاكستان في الاتّجاه (قانون نيوتن الثالث)، مهما كان الفرق بين الكتلتين؛ r هو البُعد بين المركزين
قانون الجذب العام · חוק הכבידה
F = G·m1·m2r2
الرمزالمعنىوحدة القياس
Fقوّة الجذب بين الجسمين[N]
m1 , m2كتلتا الجسمين[kg]
rالبُعد بين مركزَي الجسمين[m]
Gثابت الجذب العام: G = 6.67·10−11 N·m²/kg²[N·m²/kg²]
مثال 9.7
نحسب قوّة الجذب بين الأرض والقمر، والتسارع الذي تُكسبه هذه القوّة لكلّ منهما. (ME = 5.97·1024 kg ، Mm = 7.35·1022 kg ، r = 3.84·108 m)
الحل:

نعوّض في قانون الجذب العام:

F = G·ME·Mmr2 = 6.67·10−11 · 5.97·1024 · 7.35·1022(3.84·108)2 = 1.98·1020 N

هذه القوّة تؤثّر على القمر نحو الأرض، وتؤثّر بالمقدار نفسه على الأرض نحو القمر. تسارع كلّ منهما:

am = FMm = 1.98·10207.35·1022 = 2.7·10−3 m/s²
aE = FME = 1.98·10205.97·1024 = 3.32·10−5 m/s²

تسارع القمر هو بالضبط التسارع الراديالي الذي حسبناه في المثال السابق من حركته — تأكيد آخر للقانون. وتسارع الأرض أصغر 81 مرّة، بنسبة الكتلتين؛ لذلك نقول عمليا إنّ القمر يدور حول الأرض، رغم أنّ الحقيقة أنّ كليهما يدور حول مركز كتلتهما المشترك.

F = 1.98·1020 N , am = 2.7·10−3 m/s² , aE = 3.32·10−5 m/s²
تصوّر خاطئ شائع: يعتقد كثيرون أنّ الأرض تجذب القمر بقوّة أكبر من القوّة التي يجذبها بها القمر، «لأنّ الأرض أكبر». الحقيقة: القوّتان متساويتان في المقدار دائما، بحسب قانون نيوتن الثالث — وهذا ظاهر أيضا في صيغة القانون، المتماثلة تماما بين m1 و m2. الذي يختلف هو التسارع a = Fm: القوّة نفسها تُكسب القمر تسارعا أكبر بعشرات المرّات ممّا تُكسب الأرض، كما حسبنا في المثال أعلاه.
مثال 9.8
على الخطّ الواصل بين مركز الأرض ومركز القمر توجد نقطة P تنعدم فيها محصّلة قوّتَي جذب الأرض والقمر على أيّ جسم. نحسب بُعد هذه النقطة عن مركز الأرض.
الأرضالقمرPFEFmxd − x
الحل:

نضع جسما كتلته m في النقطة P على بُعد x من مركز الأرض (وبُعد d − x من مركز القمر). القوّتان متعاكستان، فتنعدم المحصّلة عندما تتساويان:

G·ME·mx2 = G·Mm·m(d − x)2
(d − x)2x2 = MmME
d − xx = MmME = 7.35·10225.97·1024 = 0.111

نعزل x:

x = d1 + 0.111 = 3.84·1081.111 = 3.46·108 m

أي على بُعد نحو 90 بالمئة من الطريق إلى القمر، وعلى بُعد 3.84·107 m فقط من مركز القمر. مركبة فضائية تتجاوز هذه النقطة تبدأ «السقوط» نحو القمر.

x = 3.46·108 m
مثال 9.9
يجلس طالبان كتلتاهما 60 kg و 80 kg وبين مركزيهما 0.5 m. نحسب قوّة الجذب بينهما ونقارنها بوزن الطالب الأوّل.
الحل:
F = G·m1·m2r2 = 6.67·10−11 · 60 · 800.52 = 1.28·10−6 N

وزن الطالب الأوّل m·g = 60 · 10 = 600 N، أي أكبر من قوّة الجذب بينهما نحو 4.7·108 مرّة. لهذا لا نشعر إطلاقا بالجذب بين الأجسام من حولنا، ولا يمكن قياسه إلّا بتجربة دقيقة جدّا كما سنرى.

F = 1.28·10−6 N
مثال 9.10
نقارن قوّة جذب الشمس للقمر بقوّة جذب الأرض للقمر (بُعد القمر عن الشمس يساوي تقريبا بُعد الأرض عنها، 1.5·1011 m).
الحل:
FS = G·MS·Mmd2 = 6.67·10−11 · 1.99·1030 · 7.35·1022(1.5·1011)2 = 4.34·1020 N

قوّة جذب الأرض للقمر حسبناها سابقا: 1.98·1020 N. النسبة بينهما:

FSFE = 4.34·10201.98·1020 = 2.2

الشمس تجذب القمر بقوّة أكبر من قوّة الأرض بأكثر من مرّتين! فلماذا لا «تسرق» الشمس القمر؟ لأنّ الشمس تجذب الأرض أيضا بالتسارع نفسه تقريبا، فالأرض والقمر يسقطان معا حول الشمس، وما يحدّد حركة القمر بالنسبة إلى الأرض هو جذب الأرض وحده.

FSFE ≈ 2.2
سؤال 9.4: احسبوا قوّة الجذب بين الشمس والأرض (MS = 1.99·1030 kg ، r = 1.5·1011 m). كيف تتغيّر قوّة الجذب بين جسمين إذا ضاعفنا كتلة كلّ منهما وضاعفنا البُعد بينهما؟
▶تجربة حية — قانون الجذب العامنختار الأرض والقمر أو الأرض والشمس أو كتلتين متساويتين، نغيّر البُعد ونراقب زوج القوى والتسارعين وكيف تقلّ القوّة بالتربيع العكسي.
⚠
المختبر غير متاح الآن. المادة في هذا الفصل كاملة من دونه — نواصل القراءة، ونعود إلى التجربة لاحقا أو نفتحها مباشرة من الرابط الذي تحت الإطار.
https://fahed-lab.com/physics/mechanics_gravitation#glaw
نفتح المختبر في صفحة مستقلة ↗ fahed-lab.com/physics/mechanics_gravitation#glaw

تجربة كافندش و«وزن» الأرض – ניסוי קוונדיש ו"שקילת" כדור הארץ:

لم يعرف نيوتن قيمة G. فالقوى بين الكواكب تعطينا حاصل الضرب G·M فقط، ولا نستطيع فصل G عن كتلة الشمس أو الأرض. لقياس G يجب قياس قوّة الجذب بين كتلتين معروفتين في المختبر — وهي قوّة صغيرة إلى حدّ لا يُصدَّق، كما رأينا في مثال الطالبين.

خيط الفتلMFMFmmالقضيب يدور بزاوية صغيرة جدّا تتناسب مع القوّة
تجربة كافندش (مبدأ القياس، من الأعلى): قضيب خفيف في طرفيه كرتان صغيرتان معلّق بخيط رفيع. عند تقريب كرتين كبيرتين تجذبان الصغيرتين فيدور القضيب بزاوية صغيرة جدّا يلفّ فيها الخيط؛ من هذه الزاوية ومن صلابة الخيط تُحسب القوّة

في سنة 1798 نجح الفيزيائي الإنجليزي هنري كافندش في ذلك بواسطة ميزان الفتل (מאזני פיתול): قضيب في طرفيه كرتان صغيرتان من الرصاص معلّق من منتصفه بخيط رفيع. قرّب كافندش كرتين كبيرتين من الرصاص (كتلة كلّ منهما نحو 160 kg) إلى الكرتين الصغيرتين، فجذبتاهما وأدار الجذب القضيب بزاوية صغيرة جدّا. قاس كافندش الزاوية بواسطة مرآة وشعاع ضوء، وعرف القوّة اللازمة لِلَيّ الخيط بكلّ زاوية، فحصل على قوّة الجذب، ومنها على G. قيمته كانت قريبة جدّا من القيمة المقبولة اليوم:

G = 6.67·10−11 N·m²/kg²

سمّى كافندش تجربته «وزن الأرض»، لأنّ معرفة G تسمح فورا بحساب كتلة الأرض. نكتب قوّة الجذب على جسم كتلته m على سطح الأرض بطريقتين: هي قوّة الجاذبية m·g، وهي أيضا قوّة الجذب العام:

m·g = G·M·mR2
g = G·MR2
تسارع السقوط الحرّ على سطح جرم سماوي · תאוצת הנפילה על פני גרם שמיים
g = G·MR2
M = g·R2G
الرمزالمعنىوحدة القياس
gتسارع السقوط الحرّ على السطح[m/s²]
Mكتلة الجرم (كوكب، قمر، نجم)[kg]
Rنصف قطر الجرم[m]
ملاحظة: كتلة الجسم الساقط m اختُصرت: كلّ الأجسام تسقط بالتسارع نفسه مهما كانت كتلتها، كما وجد غاليليو تجريبيا. ومن القانون نرى أيضا أنّ g ليست ثابتا كونيا، بل تتعلّق بكتلة الجرم ونصف قطره — على القمر g أخرى، وعلى المرّيخ ثالثة.
مثال 9.11
أ. نحسب تسارع السقوط الحرّ على سطح الأرض من كتلتها ونصف قطرها.
ب. نفعل ما فعل كافندش: نحسب كتلة الأرض من g ونصف قطرها.
الحل:

أ. نعوّض في الصيغة:

g = G·MR2 = 6.67·10−11 · 5.97·1024(6.37·106)2 = 9.81 m/s²

وهذه هي القيمة المقيسة (9.8 m/s²) التي نقرّبها في الامتحان إلى 10 m/s². ب. بالاتّجاه المعاكس، مع g = 10 m/s²:

M = g·R2G = 10 · (6.37·106)26.67·10−11 = 6.08·1024 kg

النتيجة قريبة من القيمة المعروفة 5.97·1024 kg (الفرق 2 بالمئة مصدره تقريب g = 10). هكذا، بتجربة على طاولة في المختبر، «وُزنت» الأرض كلّها.

g = 9.81 m/s² , ME ≈ 6.08·1024 kg
مثال 9.12
نحسب تسارع السقوط الحرّ على سطح القمر (Mm = 7.35·1022 kg ، Rm = 1.74·106 m)، ووزن رائد فضاء كتلته 80 kg هناك.
الحل:
gm = G·MmRm2 = 6.67·10−11 · 7.35·1022(1.74·106)2 = 1.62 m/s²

أي نحو سُدس تسارع السقوط على الأرض. وزن رائد الفضاء على القمر:

F = m·gm = 80 · 1.62 = 130 N

بدل 800 N على الأرض. الكتلة لم تتغيّر (80 kg في كلّ مكان)، لكنّ الوزن تغيّر.

gm = 1.62 m/s² , F = 130 N
مثال 9.13
قاست مركبة فضائية هبطت على المرّيخ تسارع السقوط الحرّ على سطحه فوجدته 3.7 m/s². نصف قطر المرّيخ 3.39·106 m. نحسب كتلة المرّيخ.
الحل:
M = g·R2G = 3.7 · (3.39·106)26.67·10−11 = 6.37·1023 kg

كتلة المرّيخ نحو عُشر كتلة الأرض (0.11 من كتلتها).

M = 6.37·1023 kg
الجرمالكتلة M [kg]نصف القطر R [m]g على السطح [m/s²]
القمر7.35·10221.74·1061.62
المرّيخ6.42·10233.39·1063.73
الأرض5.97·10246.37·1069.81
المشتري1.9·10277·10726
الشمس1.99·10306.96·108274

يبيّن الجدول تسارع السقوط الحرّ على سطح أجرام مختلفة، محسوبا من الصيغة g = G·MR2. لاحظوا أنّ المشتري أثقل من الأرض نحو 318 مرّة، لكنّ g على سطحه أكبر بنحو 2.6 مرّات فقط — لأنّ نصف قطره كبير أيضا، وهو يظهر في المقام مربّعا.

سؤال 9.5: كوكب كتلته ضعف كتلة الأرض ونصف قطره ضعف نصف قطر الأرض. ما هو تسارع السقوط الحرّ على سطحه؟ وما هو تسارع السقوط الحرّ على سطح كوكب كتلته 3 أضعاف كتلة الأرض ونصف قطره 1.5 ضعف نصف قطر الأرض؟

نجاحات أخرى للقانون: اكتشاف نبتون، والمدّ والجزر – הצלחות נוספות: גילוי נפטון, גאות ושפל:

اكتشاف نبتون (1846). بعد اكتشاف الكوكب أورانوس سنة 1781 حسب الفلكيّون مداره من قانون الجذب العام، لكنّ الرصد انحرف عن الحساب انحرافا صغيرا متزايدا. افترض الفلكيّان لوفيرييه في فرنسا وآدمز في إنجلترا، كلّ على حدة، أنّ كوكبا مجهولا وراء أورانوس يجذبه ويحرفه، وحسبا من الانحرافات أين يجب أن يكون هذا الكوكب. وجّه مرصد برلين مقرابه إلى الموقع المحسوب فوجد الكوكب في الليلة الأولى، على بُعد درجة واحدة من المكان المتوقّع. كان هذا أعظم انتصار لقانون نيوتن: كوكب اكتُشف بالقلم قبل أن يُرى بالعين.

المدّ والجزر (גאות ושפל). مرّتين في اليوم يرتفع سطح البحر على الشاطئ (مدّ) وينخفض (جزر). فسّر نيوتن الظاهرة بأنّها نتيجة لقانون التربيع العكسي: جذب القمر للماء في الجهة القريبة منه أقوى من جذبه لمركز الأرض، وجذبه للماء في الجهة البعيدة أضعف من جذبه للمركز. فالماء في الجهة القريبة يُسحب نحو القمر أكثر من الأرض كلّها، والأرض كلّها تُسحب نحو القمر أكثر من الماء في الجهة البعيدة — فينتفخ الماء في الجهتين معا.

الأرضالقمرجذب أقوىالمركزجذب أضعفمدّمدّجزرجزر
المدّ والجزر: الفرق في جذب القمر بين الجهة القريبة والمركز والجهة البعيدة (أسهم بأطوال مختلفة) يشكّل انتفاخين متقابلين في الماء؛ بدوران الأرض حول محورها يمرّ كلّ شاطئ بانتفاخين في اليوم
سؤال 9.6: لماذا يحدث المدّ مرّتين في اليوم وليس مرّة واحدة؟ ولماذا يتأخّر موعد المدّ كلّ يوم نحو 50 دقيقة عن اليوم السابق؟

حركة الأقمار الاصطناعية في مدار دائري – תנועת לוויינים במסלולים מעגליים:

القمر الاصطناعي (לוויין): هو جسم أطلقه الإنسان ليدور حول الأرض (أو حول جرم آخر) في مدار (מסלול). القوّة الوحيدة المؤثّرة عليه في مداره هي قوّة الجذب نحو مركز الأرض، وهي التي تقوم بدور القوّة المركزية. لا يحتاج القمر الاصطناعي إلى محرّك ليبقى في مداره.
MrvFmمدار دائري
قمر اصطناعي في مدار دائري: السرعة مماسّة للمدار، وقوّة الجذب نحو المركز عمودية عليها — فهي تغيّر اتّجاه السرعة ولا تغيّر مقدارها
تصوّر خاطئ شائع: يعتقد كثيرون أنّ القمر الاصطناعي يحتاج إلى قوّة تدفعه «إلى الأمام» باتّجاه حركته كي لا يتوقّف. الحقيقة: بحسب قانون القصور الذاتي لا تحتاج الحركة نفسها إلى قوّة تحافظ عليها. في المدار الدائري المنتظم قوّة الجذب وحدها هي القوّة المحصّلة، وهي عمودية على السرعة في كلّ لحظة — تغيّر اتّجاهها ولا تغيّر مقدارها، فلا حاجة إلى أيّ قوّة مماسّية. المحرّكات تُشغَّل فقط لتغيير المدار أو لتصحيحه.

نكتب قانون نيوتن الثاني لقمر اصطناعي كتلته m يدور حول كوكب كتلته M في دائرة نصف قطرها r (مقيسا من مركز الكوكب): القوّة المحصّلة هي قوّة الجذب، والتسارع راديالي:

G·M·mr2 = m·v2r
v = G·Mr

اختُصرت كتلة القمر الاصطناعي: السرعة المدارية لا تتعلّق بكتلة القمر الاصطناعي، بل بكتلة الكوكب ونصف قطر المدار فقط. زمن الدورة هو محيط المدار مقسوما على السرعة:

T = 2π·rv = 2π·r·rG·M
T2 = 4π2G·M·r3

وجدنا قانون كبلر الثالث مرّة أخرى — لكنّ الثابت هذه المرّة معروف: T2r3 = 4π2G·M. إنّه يتعلّق بكتلة الجرم المركزي فقط، ولذلك يختلف من الشمس إلى الأرض إلى المشتري. وبقلب الصيغة نحصل على أداة قويّة: كتلة الكوكب من بيانات قمر يدور حوله.

القمر الاصطناعي في مدار دائري · לוויין במסלול מעגלי
v = G·Mr
T = 2π·r3G·M
M = 4π2·r3G·T2
الرمزالمعنىوحدة القياس
vالسرعة المدارية[m/s]
rنصف قطر المدار من مركز الكوكب: r = R + h[m]
hارتفاع المدار فوق سطح الكوكب[m]
Tزمن الدورة[s]
Mكتلة الكوكب (الجرم المركزي)[kg]
انتبهوا: الخطأ الأكثر شيوعا: التعويض بالارتفاع h بدل نصف قطر المدار. في كلّ صيغ هذا الفصل r مقيس من مركز الكوكب: r = R + h. قمر اصطناعي على ارتفاع 400 km ليس على بُعد 400 km من مركز الأرض بل على بُعد 6770 km.
مثال 9.14
تدور محطّة الفضاء الدولية حول الأرض في مدار دائري على ارتفاع 400 km فوق سطحها. نحسب سرعتها المدارية وزمن دورتها.
الحل:

أوّلا نصف قطر المدار من مركز الأرض:

r = R + h = 6.37·106 + 4·105 = 6.77·106 m

السرعة المدارية:

v = G·Mr = 6.67·10−11 · 5.97·10246.77·106 = 7669 m/s ≈ 7.7 km/s

زمن الدورة:

T = 2π·rv = 2π · 6.77·1067669 = 5546 s ≈ 92 min

المحطّة تُتمّ دورة كاملة حول الأرض في نحو ساعة ونصف، ويرى روّادها 16 شروقا في اليوم.

v ≈ 7.7 km/s , T ≈ 92 min
مثال 9.15
مركبة فضائية تدور حول القمر في مدار دائري على ارتفاع 100 km فوق سطحه. نحسب سرعتها وزمن دورتها بالدقائق (Mm = 7.35·1022 kg ، Rm = 1.74·106 m).
الحل:

الجرم المركزي هنا هو القمر، فنعوّض كتلته ونصف قطر المدار من مركزه:

r = Rm + h = 1.74·106 + 1·105 = 1.84·106 m
v = G·Mmr = 6.67·10−11 · 7.35·10221.84·106 = 1632 m/s
T = 2π·rv = 2π · 1.84·1061632 = 7083 s ≈ 118 min

السرعة أصغر بكثير من سرعة محطّة الفضاء حول الأرض، لأنّ كتلة القمر أصغر بنحو 81 مرّة.

v = 1632 m/s , T ≈ 118 min
سؤال 9.7: ما هي قوّة جذب الأرض لرائد فضاء كتلته 80 kg وهو في مدار محطّة الفضاء (r = 6.77·106 m)؟ قارنوا بوزنه على سطح الأرض. ولماذا يطفو رغم ذلك داخل المحطّة؟
مثال 9.16
نحسب كتلة الأرض من حركة قمرها الطبيعي: نصف قطر مدار القمر 3.84·108 m وزمن دورته 27.3 يوما (2.36·106 s).
الحل:
M = 4π2·r3G·T2 = 4π2 · (3.84·108)36.67·10−11 · (2.36·106)2 = 6.02·1024 kg

وهي القيمة المعروفة لكتلة الأرض (ضمن دقّة المعطيات). بالطريقة نفسها تُحسب كتلة أيّ كوكب له قمر، وكتلة الشمس من حركة الأرض حولها — ولا نحتاج إلى الذهاب إلى هناك.

ME ≈ 6.02·1024 kg

القمر الثابت بالنسبة للأرض (לוויין גאוסטציונרי) (جيوستاشيونري): قمر اصطناعي للاتّصالات والبثّ يجب أن يبدو من الأرض ثابتا في نقطة واحدة من السماء، حتى تبقى الهوائيات موجّهة نحوه. لذلك يجب أن يدور حول الأرض بزمن دورة يساوي زمن دوران الأرض حول محورها (24 ساعة)، في مستوى خطّ الاستواء، وفي اتّجاه دوران الأرض. لزمن دورة معيّن يوجد نصف قطر مدار واحد فقط — فجميع هذه الأقمار تدور في الحلقة نفسها.

مثال 9.17
خطّ الاستواءT = 24 hمحور الدورانالقمر والأرض يدوران بزمن الدورة نفسه وبالاتّجاه نفسه
نحسب نصف قطر مدار القمر الثابت بالنسبة للأرض، وارتفاعه فوق سطح الأرض، وسرعته المدارية.
الحل:

زمن الدورة T = 24 h = 86400 s. نعزل r من قانون كبلر الثالث بالثابت المعروف:

T2 = 4π2G·M·r3
r3 = G·M·T24π2 = 6.67·10−11 · 5.97·1024 · (86400)24π2 = 7.53·1022 m³
r = (7.53·1022)1/3 = 4.22·107 m

الارتفاع فوق السطح:

h = r − R = 4.22·107 − 6.37·106 = 3.59·107 m ≈ 35857 km

السرعة المدارية:

v = 2π·rT = 2π · 4.22·10786400 = 3071 m/s

نصف قطر المدار نحو 6.6 أضعاف نصف قطر الأرض، والسرعة أصغر بكثير من سرعة محطّة الفضاء: كلّما ارتفع المدار قلّت السرعة وطال زمن الدورة.

r = 4.22·107 m , h ≈ 35857 km , v = 3071 m/s
تصوّر خاطئ شائع: يعتقد كثيرون أنّ «الجاذبية منعدمة في الفضاء»، وأنّ روّاد محطّة الفضاء يطفون لهذا السبب. الحقيقة: على ارتفاع 400 km تبلغ شدّة مجال الجاذبية نحو 87 بالمئة من قيمتها على السطح (g ≈ 0.9·g0). يطفو الروّاد لأنّهم يسقطون مع المحطّة بالتسارع نفسه في سقوط حرّ دائم حول الأرض — فلا يضغطون على أرضيّتها، ووزنهم الظاهري صفر (كما في المصعد الذي ينقطع حبله في الفصل الثالث).
سؤال 9.8: أ. احسبوا كتلة الشمس من حركة الأرض حولها: نصف قطر المدار 1.5·1011 m وزمن الدورة سنة واحدة (3.16·107 s).
ب. قمر اصطناعي يدور حول الأرض على بُعد 4R من مركزها. احسبوا سرعته وزمن دورته بالساعات.
▶تجربة حية — الأقمار الاصطناعية وحساب كتلة الكوكبنرفع ارتفاع المدار ونراقب السرعة وزمن الدورة، نختار محطّة الفضاء أو القمر الثابت بالنسبة للأرض، ونستخرج كتلة الكوكب من زمن دورة مقيس.
⚠
المختبر غير متاح الآن. المادة في هذا الفصل كاملة من دونه — نواصل القراءة، ونعود إلى التجربة لاحقا أو نفتحها مباشرة من الرابط الذي تحت الإطار.
https://fahed-lab.com/physics/mechanics_gravitation#sat
نفتح المختبر في صفحة مستقلة ↗ fahed-lab.com/physics/mechanics_gravitation#sat

המושג "שדה", עבודה ואנרגיה בשדה הכבידה – مفهوم «المجال»، الشغل والطاقة في مجال الجاذبية (The Field Concept; Work and Energy in the Gravitational Field)

شدّة مجال الجاذبية – עצמת שדה הכבידה:

حتى الآن وصفنا الجاذبية كقوّة بين جسمين: الأرض تجذب التفّاحة. هناك طريقة أخرى للنظر إلى الأمر، أثبتت أنّها أخصب بكثير: الأرض تُنشئ حولها في كلّ الفضاء مجال جاذبية (שדה כבידה)، سواء وُجدت تفّاحة أم لا؛ وعندما توضع التفّاحة في نقطة ما، يؤثّر عليها المجال الموجود هناك بقوّة. بذلك نفصل المسألة إلى خطوتين: ما المجال الذي ينشئه المصدر؟ وما القوّة التي يؤثّر بها المجال على جسم؟

شدّة مجال الجاذبية (עצמת שדה הכבידה): في نقطة ما هي قوّة الجاذبية المؤثّرة على جسم اختبار موضوع في تلك النقطة مقسومة على كتلته: g = Fm. وهي متّجه اتّجاهه اتّجاه القوّة (نحو مركز الجرم الجاذب)، ووحدتها [N/kg]، وهي تماما وحدة التسارع [m/s²]. شدّة المجال لا تتعلّق بجسم الاختبار، بل بالمصدر وبالموقع فقط.

نحسب شدّة المجال الذي تنشئه كتلة M على بُعد r من مركزها: القوّة على جسم اختبار كتلته m هي G·M·mr2، نقسمها على m:

شدّة مجال الجاذبية لجرم كروي · עצמת שדה הכבידה
g = G·Mr2
F = m·g
الرمزالمعنىوحدة القياس
gشدّة المجال على بُعد r من المركز[N/kg]
Mكتلة الجرم المصدر[kg]
rالبُعد عن مركز الجرم (r ≥ R)[m]
Fالقوّة على جسم كتلته m في تلك النقطة[N]

على سطح الأرض r = R فنحصل على g0 = G·MR2 ≈ 10 m/s² — تسارع السقوط الحرّ المعروف هو ببساطة شدّة مجال الجاذبية على السطح. وكلّما ابتعدنا عن المركز ضعف المجال بالتربيع العكسي:

g(r) = g0·R2r2
R2R3R4R5Rg₀g₀/4g₀/9rgداخلالكوكبg ∝ 1/r²
شدّة مجال الجاذبية كدالّة للبُعد عن مركز الكوكب، من السطح فصاعدا: على بُعد 2R تصبح رُبع قيمتها على السطح، وعلى بُعد 3R تُسعها
مثال 9.18
نحسب شدّة مجال جاذبية الأرض:
أ. على ارتفاع R فوق السطح.
ب. في مدار محطّة الفضاء (h = 400 km).
ج. في موقع القمر (r = 3.84·108 m).
الحل:

أ. الارتفاع يُقاس من السطح، لكنّ الصيغة تحتاج إلى البُعد عن المركز: r = R + R = 2R.

g = g0·R2(2R)2 = g04 = 104 = 2.5 m/s²

ب. نصف قطر المدار r = 6.77·106 m كما حسبنا سابقا:

g = G·Mr2 = 6.67·10−11 · 5.97·1024(6.77·106)2 = 8.7 m/s²

المجال في مدار المحطّة ما زال نحو 87 بالمئة من قيمته على السطح. ج. في موقع القمر:

g = G·Mr2 = 6.67·10−11 · 5.97·1024(3.84·108)2 = 2.7·10−3 m/s²

وهذا بالضبط التسارع الراديالي للقمر الذي حسبناه في بداية الفصل: القمر يتحرّك بتسارع يساوي شدّة مجال الأرض في موقعه.

g(2R) = 2.5 m/s² , g(ISS) = 8.7 m/s² , g(moon) = 2.7·10−3 m/s²

المجال المركزي والمجال المنتظم – שדה רדיאלי ושדה אחיד:

نرسم المجال بخطوط المجال: خطوط تشير في كلّ نقطة إلى اتّجاه g، وتكون متقاربة حيث المجال قويّ ومتباعدة حيث هو ضعيف.

M
مجال مركزي: من بعيد تبدو خطوط مجال الأرض متّجهة نحو المركز، وتتباعد مع البُعد — المجال يضعف
gmقرب السطح: h ≪ R
مجال منتظم: قرب السطح، في منطقة صغيرة بالنسبة إلى R، تبدو الخطوط متوازية والمجال ثابت g

ما الفائدة من وصف الجاذبية بالمجال؟

  1. يفصل الوصف بين المصدر والمتأثّر: نحسب المجال مرّة واحدة، ثم نحسب القوّة على أيّ جسم بسهولة: F = m·g.
  2. المجال كمّية محلّية: ما يحدث لجسم في نقطة ما يحدّده المجال في تلك النقطة فقط، لا الجسم البعيد الذي أنشأه. هذا يحلّ مشكلة «التأثير عن بُعد» التي أقلقت نيوتن نفسه.
  3. يستعمل الوصف نفسه في الكهرباء والمغناطيسية: المجال الكهربائي E = Fq يُعرَّف تماما كما عُرّف g، وستلتقون به في الفصل القادم من الفيزياء.
  4. يسهّل التعميم إلى مصادر كثيرة: مجال مجموعة من الكتل هو المجموع المتّجهي لمجالاتها.
سؤال 9.9: على أيّ ارتفاع فوق سطح الأرض تصبح شدّة مجال الجاذبية نصف قيمتها على السطح؟ وما هي قوّة الجاذبية على قمر اصطناعي كتلته 500 kg هناك؟
▶تجربة حية — مفهوم المجال — مركزي مقابل منتظمنحرّك جسم الاختبار في المنظر البعيد ونقرأ شدّة المجال على كلّ بُعد، ثم ننتقل إلى المنظر القريب ونرى الخطوط المتوازية والمجال المنتظم.
⚠
المختبر غير متاح الآن. المادة في هذا الفصل كاملة من دونه — نواصل القراءة، ونعود إلى التجربة لاحقا أو نفتحها مباشرة من الرابط الذي تحت الإطار.
https://fahed-lab.com/physics/mechanics_gravitation#gfield
نفتح المختبر في صفحة مستقلة ↗ fahed-lab.com/physics/mechanics_gravitation#gfield

مجال الجاذبية مجال حافظ — طاقة الثقل الوضعية – שדה הכבידה כשדה משמר — האנרגיה הפוטנציאלית הכבידתית:

تعلّمنا في الفصل السابع أنّ قوّة الجاذبية قوّة حافظة: شغلها بين نقطتين لا يتعلّق بالمسار، بل بالنقطتين فقط، ولذلك يمكن تعريف طاقة وضعية لها. هناك عرّفنا UG = m·g·h — وهذا صحيح في المجال المنتظم قرب السطح. لكن عندما يرتفع القمر الاصطناعي آلاف الكيلومترات تضعف القوّة على طول الطريق، ولا يصحّ ضرب قوّة ثابتة في المسافة. نحتاج إلى صيغة عامّة للطاقة الوضعية في المجال المركزي.

نبدأ من اتّفاق على نقطة الصفر. في المجال المنتظم اخترنا الصفر على الأرض أو في أيّ مكان مريح. في المجال المركزي يوجد خيار طبيعي واحد: الطاقة الوضعية تساوي صفرا على بُعد لا نهائي، حيث ينعدم المجال. الصيغة التي تنتج من هذا الاختيار (ويمكن إثباتها بتقسيم الطريق إلى قطع صغيرة وجمع الشغل عليها) هي:

طاقة الثقل الوضعية في المجال المركزي · אנרגיה פוטנציאלית כבידתית
UG = −G·M·mr
الرمزالمعنىوحدة القياس
UGطاقة الثقل الوضعية للمنظومة (الجرم والجسم)[J]
Mكتلة الجرم المصدر[kg]
mكتلة الجسم[kg]
rالبُعد بين المركزين[m]
R2R3R4R5R−GMm/R−GMm/2RrEUG = −GMm/rE < 0: جسم مقيّدنقطة الرجوع (v = 0)E = 0: الجسم يفلتعلى السطح
طاقة الثقل الوضعية كدالّة للبُعد عن المركز: سالبة دائما، وترتفع نحو الصفر مع البُعد. جسم طاقته الكلّية E سالبة (الخطّ الأزرق) يصل إلى البُعد الذي يقطع فيه الخطّ المنحنى ثم يعود؛ وجسم طاقته الكلّية صفر أو موجبة يفلت

لماذا الإشارة سالبة؟ لأنّ الصفر في اللانهاية، وقوّة الجاذبية قوّة جذب: لإبعاد الجسم عن الكوكب يجب أن نبذل شغلا موجبا ضدّ الجذب، فتزداد الطاقة الوضعية من قيمة سالبة حتى تصل إلى الصفر. الجسم القريب من الكوكب «في حفرة» من الطاقة، وكلّما كان أقرب كانت الحفرة أعمق. ما يهمّ في الحسابات دائما هو الفرق في الطاقة الوضعية بين نقطتين، وهو لا يتعلّق باختيار الصفر:

ΔUG = UG(r2) − UG(r1) = G·M·m·(1r1 − 1r2)

هل تتّفق الصيغة مع m·g·h؟ نرفع جسما من السطح (r1 = R) إلى ارتفاع صغير h (r2 = R + h):

ΔUG = G·M·m·(1R − 1R + h) = G·M·m·hR·(R + h)

عندما يكون h صغيرا جدّا بالنسبة إلى R يصبح R + h ≈ R، ونحصل على ΔUG ≈ G·MR2·m·h = m·g0·h — الصيغة القديمة تماما. إذًا m·g·h ليست خطأ، بل حالة خاصّة من الصيغة العامّة للارتفاعات الصغيرة.

مثال 9.19
يُطلَق جسم من سطح الأرض بحيث تكون طاقته الكلّية E = −G·M·m4R. نحدّد من الرسم البياني للطاقة الوضعية أقصى بُعد يصل إليه، ثم نحسب سرعة الإطلاق اللازمة لذلك.
الحل:

الطاقة الكلّية سالبة، فالجسم مقيّد. في نقطة الرجوع تنعدم السرعة وتصبح كلّ الطاقة طاقة وضعية — أي حيث يقطع خطّ E المنحنى:

−G·M·mrmax = −G·M·m4R
rmax = 4R , hmax = 3R

سرعة الإطلاق من حفظ الطاقة بين السطح ونقطة الرجوع:

12·m·v2 − G·M·mR = −G·M·m4R
v2 = 2·G·MR·(1 − 14) = 3·G·M2R
v = 3 · 3.98·10142 · 6.37·106 = 9683 m/s ≈ 9.7 km/s

لاحظوا أنّ الجسم يصل إلى ارتفاع ثلاثة أضعاف نصف قطر الأرض بسرعة أصغر من سرعة الإفلات التي سنحسبها لاحقا (11.2 km/s).

hmax = 3R , v ≈ 9.7 km/s
مثال 9.20
قمر اصطناعي كتلته 1000 kg. نحسب الطاقة اللازمة لرفعه من سطح الأرض إلى ارتفاع h = R (دون إكسابه سرعة)، مرّة بالصيغة العامّة ومرّة بالصيغة التقريبية m·g·h، ونقارن.
الحل:

بالصيغة العامّة، من r1 = R إلى r2 = 2R:

ΔUG = G·M·m·(1R − 12R) = G·M·m2R
ΔUG = 6.67·10−11 · 5.97·1024 · 10002 · 6.37·106 = 3.13·1010 J

بالصيغة التقريبية:

m·g·h = 1000 · 10 · 6.37·106 = 6.37·1010 J

الصيغة التقريبية تعطي ضعف القيمة الصحيحة! السبب: هي تفترض أنّ القوّة تبقى m·g0 طوال الطريق، بينما القوّة تضعف فعلا من m·g0 على السطح إلى m·g04 في النهاية. على الارتفاعات التي تقارن بـR يجب استعمال الصيغة العامّة.

ΔUG = 3.13·1010 J
مثال 9.21
نحسب النسبة بين الصيغة الدقيقة والصيغة التقريبية لرفع جسم إلى ارتفاع 10 km (ارتفاع طائرة ركّاب).
الحل:

من المعادلة أعلاه:

ΔUGm·g0·h = G·M·m·hR·(R + h)G·MR2·m·h = RR + h
RR + h = 6.37·1066.38·106 = 0.9984

الفرق أقلّ من 0.2 بالمئة — وهذا هو السبب الذي يسمح لنا باستعمال m·g·h في كلّ مسائل الميكانيكا اليومية بلا تردّد.

ΔUGm·g0·h = 0.9984

تحوّلات الطاقة في مجال الجاذبية – המרות אנרגיה בשדה הכבידה:

بما أنّ قوّة الجذب حافظة، تُحفَظ الطاقة الميكانيكية لجسم يتحرّك في مجال الجاذبية وحده (بلا احتكاك ولا محرّك): مجموع الطاقة الحركية وطاقة الثقل الوضعية ثابت.

حفظ الطاقة الميكانيكية في المجال المركزي · שימור האנרגיה בשדה רדיאלי
E = 12·m·v2 − G·M·mr = const
12·m·v12 − G·M·mr1 = 12·m·v22 − G·M·mr2
الرمزالمعنىوحدة القياس
Eالطاقة الميكانيكية الكلّية[J]
v1 , v2السرعة في البُعدين r1 و r2[m/s]

هذه هي الأداة الرئيسية لكلّ مسائل الإطلاق والسقوط من ارتفاعات كبيرة. لاحظوا أنّ كتلة الجسم m تظهر في كلّ الحدود، فتُختصر: السرعات لا تتعلّق بكتلة الجسم المُطلَق.

مثال 9.22
v0v = 0hسطح الكوكبأقصى ارتفاع
يُطلَق جسم من سطح الأرض عموديا إلى الأعلى بسرعة 6 km/s (نهمل مقاومة الهواء ودوران الأرض). نحسب أقصى ارتفاع يصل إليه، ونقارن مع النتيجة التي تعطيها الصيغة التقريبية h = v22g.
الحل:

في النقطة العليا v2 = 0. من حفظ الطاقة بين السطح (r1 = R) والنقطة العليا (r2):

12·m·v12 − G·M·mR = 0 − G·M·mr2
1r2 = 1R − v122·G·M
1r2 = 16.37·106 − (6000)22 · 6.67·10−11 · 5.97·1024 = 1.118·10−7 m−1
r2 = 8.946·106 m

الارتفاع فوق السطح:

h = r2 − R = 8.946·106 − 6.37·106 = 2.58·106 m ≈ 2576 km

أمّا الصيغة التقريبية للمجال المنتظم فتعطي:

h = v22g = 600022 · 10 = 1.8·106 m = 1800 km

الصيغة التقريبية تبالغ في تقدير القوّة (تفترضها m·g0 طوال الطريق) فتعطي ارتفاعا أصغر. الفرق كبير لأنّ الارتفاع هنا يقارن بنصف قطر الأرض.

hmax ≈ 2576 km
مثال 9.23
يُترك جسم من السكون على ارتفاع h = R فوق سطح الأرض ويسقط نحوها. نحسب سرعته لحظة وصوله إلى السطح (نهمل مقاومة الهواء).
الحل:

من حفظ الطاقة بين نقطة الإفلات (r1 = 2R ، v1 = 0) والسطح (r2 = R):

0 − G·M·m2R = 12·m·v22 − G·M·mR
v22 = 2·G·M·(1R − 12R) = G·MR
v2 = G·MR = 6.67·10−11 · 5.97·10246.37·106 = 7906 m/s ≈ 7.9 km/s

لو استعملنا v = 2·g·h بـg = 10 لحصلنا على 11.3 km/s — أكبر من الصحيح، لأنّ القوّة في معظم الطريق أصغر من m·g0.

v = 7.9 km/s
سؤال 9.10: يُترك جسم من السكون على بُعد 3R من مركز الأرض. احسبوا سرعته عند وصوله إلى سطح الأرض. هل تتعلّق النتيجة بكتلة الجسم؟

سرعة الإفلات وطاقة الربط – מהירות המילוט ואנרגיית הקשר:

في المثال 9.22 صعد الجسم إلى ارتفاع محدود ثم عاد، لأنّ طاقته الكلّية كانت سالبة. كلّما زادت سرعة الإطلاق ارتفعت الطاقة الكلّية وارتفعت نقطة الرجوع (انظروا الرسم البياني للطاقة الوضعية). عندما تصل الطاقة الكلّية إلى الصفر تنتقل نقطة الرجوع إلى اللانهاية: الجسم يبتعد إلى الأبد وسرعته تتناقص نحو الصفر دون أن تنعدم. هذه هي حالة الإفلات.

سرعة الإفلات (מהירות מילוט): هي أصغر سرعة يجب أن يُطلَق بها جسم من سطح جرم سماوي كي يبتعد عنه إلى ما لا نهاية ولا يعود. عندها تكون الطاقة الميكانيكية الكلّية للجسم صفرا: 12·m·vesc2 − G·M·mR = 0.
سرعة الإفلات · מהירות מילוט
vesc = 2·G·MR
الرمزالمعنىوحدة القياس
vescسرعة الإفلات من سطح الجرم[m/s]
Mكتلة الجرم[kg]
Rنصف قطر الجرم (أو البُعد الذي يُطلَق منه الجسم)[m]
طاقة الربط (אנרגיית קשר): لجسم في مجال جاذبية هي أصغر طاقة يجب إعطاؤها للجسم كي يفلت، أي كي تصبح طاقته الكلّية صفرا: Eb = −E. لجسم ساكن على سطح الجرم Eb = G·M·mR، وهي تساوي الطاقة الحركية عند سرعة الإفلات.
مثال 9.24
نحسب سرعة الإفلات من سطح الأرض ومن سطح القمر، وطاقة الربط لكلّ كيلوغرام على سطح الأرض.
الحل:

من الأرض:

vesc = 2·G·MR = 2 · 6.67·10−11 · 5.97·10246.37·106 = 11181 m/s ≈ 11.2 km/s

من القمر:

vesc = 2 · 6.67·10−11 · 7.35·10221.74·106 = 2374 m/s ≈ 2.4 km/s

سرعة الإفلات من القمر أصغر بنحو خمس مرّات. هذا يفسّر لماذا لا يملك القمر غلافا جويّا: جزيئات الغاز السريعة تفلت منه بسهولة، بينما تمسك الأرض بغلافها. طاقة الربط لكلّ كيلوغرام على سطح الأرض:

Ebm = G·MR = 6.67·10−11 · 5.97·10246.37·106 = 6.25·107 J/kg

أي أنّ إطلاق كلّ كيلوغرام إلى الفضاء البعيد يحتاج إلى 63 مليون جول على الأقلّ — ولهذا الصواريخ ضخمة.

vesc,E ≈ 11.2 km/s , vesc,m ≈ 2.4 km/s
مثال 9.25
يقترب نيزك من الأرض وهو بعيد جدّا عنها بسرعة 5 km/s. نحسب سرعته لحظة وصوله إلى سطح الأرض (نهمل الغلاف الجويّ).
الحل:

بعيدا جدّا الطاقة الوضعية صفر، وعلى السطح r = R. من حفظ الطاقة:

12·m·v∞2 + 0 = 12·m·v2 − G·M·mR
v2 = v∞2 + 2·G·MR = v∞2 + vesc2
v = (5000)2 + (11181)2 = 12248 m/s ≈ 12.2 km/s

نتيجة عامّة جميلة: مربّع سرعة الوصول يساوي مربّع السرعة البعيدة زائد مربّع سرعة الإفلات. حتى نيزك يبدأ من السكون يصل إلى السطح بسرعة الإفلات 11.2 km/s على الأقلّ.

v ≈ 12.2 km/s
سؤال 9.11: سرعة الإفلات من سطح كوكب هي 20 km/s ونصف قطره 1·107 m. احسبوا كتلة الكوكب. بأيّ عامل تتغيّر سرعة الإفلات إذا تضاعفت كتلة الكوكب وبقي نصف قطره؟
سؤال 9.12: ما هي السرعة اللازمة للإفلات من جذب الشمس انطلاقا من بُعد الأرض عنها (r = 1.5·1011 m)؟ قارنوها بسرعة الأرض في مدارها حول الشمس.

الطاقة الكلّية لقمر اصطناعي في مدار دائري – האנרגיה הכוללת של לוויין במסלול מעגלי:

نجمع ما تعلّمناه. لقمر اصطناعي في مدار دائري نصف قطره r وجدنا v2 = G·Mr، فطاقته الحركية:

Ek = 12·m·v2 = G·M·m2r

وطاقته الوضعية UG = −G·M·mr، وهي سالبة وضعف الطاقة الحركية في المقدار. الطاقة الكلّية:

طاقات القمر الاصطناعي في مدار دائري · אנרגיית לוויין במסלול מעגלי
Ek = G·M·m2r
UG = −G·M·mr
E = Ek + UG = −G·M·m2r
الرمزالمعنىوحدة القياس
Ekالطاقة الحركية[J]
UGطاقة الثقل الوضعية[J]
Eالطاقة الكلّية: سالبة — القمر مقيّد[J]
rنصف قطر المدار[m]
E = 0Ek+GMm/2rUG−GMm/rE−GMm/2rالحركية موجبة، والطاقة الوضعية سالبة وضعفها، والكلّية سالبة
طاقات القمر الاصطناعي في مدار دائري: UG = −2Ek ، E = −Ek. طاقة ربط القمر الاصطناعي هي −E = G·M·m2r
ملاحظة: نتيجة تبدو متناقضة: لنقل قمر اصطناعي إلى مدار أعلى يجب إضافة طاقة (لأنّ E = −G·M·m2r تكبر — تقترب من الصفر — مع r)، ومع ذلك تكون سرعته في المدار الأعلى أصغر. الطاقة المضافة تذهب كلّها إلى الطاقة الوضعية وأكثر: الطاقة الوضعية تزداد بمقدار ضعف ما تنقص به الطاقة الحركية.
مثال 9.26
قمر اصطناعي كتلته 500 kg يدور حول الأرض في مدار دائري نصف قطره 7·106 m. نحسب:
أ. طاقته الحركية وطاقته الوضعية وطاقته الكلّية.
ب. الطاقة التي يجب أن يبذلها الصاروخ لنقله من السكون على سطح الأرض إلى هذا المدار (نهمل دوران الأرض ومقاومة الهواء).
الحل:

أ. نعوّض في الصيغ الثلاث:

Ek = G·M·m2r = 6.67·10−11 · 5.97·1024 · 5002 · 7·106 = 1.42·1010 J
UG = −G·M·mr = −2.84·1010 J
E = Ek + UG = −1.42·1010 J

ب. على السطح القمر ساكن، فطاقته الكلّية هي طاقته الوضعية فقط. الشغل المطلوب هو الفرق في الطاقة الكلّية:

Esurface = −G·M·mR = −6.67·10−11 · 5.97·1024 · 5006.37·106 = −3.13·1010 J
W = E − Esurface = −1.42·1010 − (−3.13·1010) = 1.7·1010 J

الجزء الأكبر من هذه الطاقة (1.42·1010 J) يذهب إلى الطاقة الحركية، والباقي (2.81·109 J) إلى رفع القمر من السطح إلى المدار. الوصول إلى المدار المنخفض مسألة سرعة أكثر منها مسألة ارتفاع.

Ek = 1.42·1010 J , UG = −2.84·1010 J , E = −1.42·1010 J , W = 1.7·1010 J
مثال 9.27
r1r2Mنقل القمر الاصطناعي إلى مدار أعلى يحتاج إلى طاقة
(بأسلوب البجروت) يُنقَل القمر الاصطناعي من المثال السابق (m = 500 kg) من مداره الدائري الذي نصف قطره r1 = 7·106 m إلى مدار دائري أعلى نصف قطره r2 = 1.4·107 m (انظروا الرسم). أ. احسبوا سرعته في كلّ مدار. ب. احسبوا الطاقة التي يجب إضافتها للقمر الاصطناعي. ج. اشرحوا كيف تزداد طاقة القمر وتقلّ سرعته في الوقت نفسه.
الحل:

أ. السرعة المدارية في كلّ مدار:

v1 = G·Mr1 = 3.98·10147·106 = 7542 m/s
v2 = G·Mr2 = 3.98·10141.4·107 = 5333 m/s

ب. الطاقة المضافة هي الفرق بين الطاقتين الكلّيتين:

ΔE = E2 − E1 = −G·M·m2r2 + G·M·m2r1 = G·M·m2·(1r1 − 1r2)
ΔE = 3.98·1014 · 5002·(17·106 − 11.4·107) = 7.11·109 J

ج. الطاقة الوضعية ازدادت بمقدار G·M·m·(1r1 − 1r2) = 1.42·1010 J، والطاقة الحركية نقصت بمقدار نصف ذلك (7.11·109 J). المجموع موجب: أضفنا طاقة، لكنّ أكثر من كلّها ذهب إلى الطاقة الوضعية، فبقيت الطاقة الحركية أصغر ممّا كانت.

v1 = 7542 m/s , v2 = 5333 m/s , ΔE = 7.11·109 J
المدارh [km]r [10⁶ m]v [km/s]T [h]E/m [J/kg]
محطّة الفضاء4006.777.671.5−2.94·107
أقمار الملاحة (GPS)2020026.573.8712−7.49·106
القمر الثابت بالنسبة للأرض3585742.233.0724−4.71·106

يلخّص الجدول ثلاثة مدارات شائعة: كلّما ارتفع المدار قلّت السرعة، وطال زمن الدورة، وارتفعت الطاقة الكلّية (أصبحت أقلّ سلبية).

مثال 9.28
من الجدول: نحسب الطاقة اللازمة لكلّ كيلوغرام لوضع قمر اصطناعي في المدار الثابت بالنسبة للأرض (r = 4.22·107 m) انطلاقا من السكون على السطح، ونقارنها بطاقة الربط لكلّ كيلوغرام على السطح.
الحل:

الطاقة الكلّية لكلّ كيلوغرام في المدار، وعلى السطح (بلا سرعة):

Eorbitm = −G·M2r = −3.98·10142 · 4.22·107 = −4.71·106 J/kg
Esurfacem = −G·MR = −3.98·10146.37·106 = −6.25·107 J/kg

الطاقة المطلوبة هي الفرق:

Wm = −4.71·106 − (−6.25·107) = 5.78·107 J/kg

وهي نحو 92 بالمئة من طاقة الربط على السطح (6.25·107 J/kg): الوصول إلى المدار الثابت بالنسبة للأرض يكلّف تقريبا ما يكلّفه الإفلات من الأرض كلّها، لأنّ المدار بعيد جدّا (r ≈ 6.6R) والطاقة الوضعية فيه قريبة من الصفر.

Wm = 5.78·107 J/kg
مثال 9.29
(بأسلوب البجروت) قمر اصطناعي كتلته 1200 kg يدور حول الأرض في مدار دائري على ارتفاع 2000 km فوق سطحها.
أ. احسبوا شدّة مجال الجاذبية في المدار.
ب. احسبوا سرعة القمر الاصطناعي.
ج. احسبوا زمن دورته بالدقائق.
د. احسبوا طاقته الحركية وطاقته الوضعية وطاقته الكلّية.
هـ. ما أصغر طاقة يجب إضافتها إليه كي يفلت من مجال جاذبية الأرض؟
الحل:

نصف قطر المدار من مركز الأرض: r = R + h = 8.37·106 m. أ. شدّة المجال في المدار:

g = G·Mr2 = 3.98·1014(8.37·106)2 = 5.68 m/s²

ب. السرعة المدارية (أو مباشرة من g = v2r):

v = G·Mr = g·r = 5.68 · 8.37·106 = 6897 m/s

ج. زمن الدورة:

T = 2π·rv = 2π · 8.37·1066897 = 7625 s ≈ 127 min

د. الطاقات:

Ek = 12·m·v2 = 12 · 1200 · 68972 = 2.85·1010 J
UG = −G·M·mr = −2·Ek = −5.71·1010 J
E = Ek + UG = −2.85·1010 J

هـ. كي يفلت يجب أن تصبح طاقته الكلّية صفرا على الأقلّ، فالطاقة المطلوبة هي طاقة ربطه:

Eb = −E = 2.85·1010 J

لاحظوا أنّ الطاقة اللازمة للإفلات من المدار تساوي بالضبط الطاقة الحركية في المدار.

g = 5.68 m/s² , v = 6897 m/s , T ≈ 127 min , E = −2.85·1010 J , Eb = 2.85·1010 J
سؤال 9.13: الطاقة الكلّية لقمر اصطناعي في مدار دائري حول الأرض هي −2·109 J. ما هي طاقته الحركية وطاقته الوضعية؟ وما هي أصغر طاقة يجب إضافتها إليه كي يفلت من مجال جاذبية الأرض؟
▶تجربة حية — الطاقة في مجال الجاذبية وسرعة الإفلاتنطلق جسما بسرعات متزايدة ونراقب عمود الطاقة والرسم البياني للطاقة الوضعية: نقطة الرجوع ترتفع حتى تختفي عند سرعة الإفلات.
⚠
المختبر غير متاح الآن. المادة في هذا الفصل كاملة من دونه — نواصل القراءة، ونعود إلى التجربة لاحقا أو نفتحها مباشرة من الرابط الذي تحت الإطار.
https://fahed-lab.com/physics/mechanics_gravitation#gesc
نفتح المختبر في صفحة مستقلة ↗ fahed-lab.com/physics/mechanics_gravitation#gesc

كيف نحلّ مسألة في الجاذبية؟ – איך פותרים שאלה בכבידה?:

  1. نحدّد الجرم المركزي (الأرض؟ الشمس؟ القمر؟) ونأخذ كتلته ونصف قطره من ملحق المعطيات؛ كتلة الجسم الدائر تُختصر غالبا.
  2. نحوّل كلّ المعطيات إلى وحدات SI: الكيلومتر إلى متر، الأيام والساعات إلى ثوانٍ، الطنّ إلى كيلوغرام.
  3. نحسب البُعد عن المركز r = R + h — لا نعوّض أبدا بالارتفاع وحده.
  4. مسألة قوى وحركة دائرية: نساوي قوّة الجذب بالقوّة المركزية G·M·mr2 = m·v2r، ومنها v و T و M.
  5. مسألة تغيّر في البُعد أو في السرعة: نكتب حفظ الطاقة بالصيغة العامّة UG = −G·M·mr، ونستعمل m·g·h فقط عندما يكون h ≪ R.
  6. نفحص الإشارة والمنطق: الطاقة الكلّية لجسم مقيّد سالبة؛ المدار الأعلى أبطأ وزمن دورته أطول؛ g يقلّ مع الارتفاع.
انتبهوا: ثلاثة أخطاء شائعة في الامتحان: التعويض بـh بدل R + h؛ استعمال g = 10 m/s² في مدار بعيد عن السطح؛ ونسيان الإشارة السالبة للطاقة الوضعية عند حساب الفرق بين طاقتين.

أهمّ أفكار الفصل:

ملخّص قوانين الفصل:

القانونالصيغة
قانون كبلر الثاني (الحضيض والأوج)rp·vp = ra·va
قانون كبلر الثالثT2a3 = const , T12T22 = a13a23
قانون الجذب العامF = G·m1·m2r2
ثابت الجذب العامG = 6.67·10−11 N·m²/kg²
تسارع السقوط الحرّ / شدّة المجالg = G·Mr2
كتلة جرم من g على سطحهM = g·R2G
السرعة المدارية (مدار دائري)v = G·Mr
زمن الدورةT = 2π·r3G·M
كتلة الكوكب من قمرهM = 4π2·r3G·T2
طاقة الثقل الوضعيةUG = −G·M·mr
حفظ الطاقة12·m·v12 − G·M·mr1 = 12·m·v22 − G·M·mr2
سرعة الإفلاتvesc = 2·G·MR
طاقات القمر الاصطناعيEk = G·M·m2r , E = −G·M·m2r
طاقة الربطEb = −E

قاموس المصطلحات – מילון מונחים:

بالعربيةبالعبرية (كما تظهر في الامتحان)English
نموذج مركزية الأرضמודל גאוצנטריGeocentric model
نموذج مركزية الشمسמודל הליוצנטריHeliocentric model
فلك التدوير · الفلك الحاملאפיציקל · מעגל ראשיEpicycle · Deferent
الحركة التراجعيةתנועה נסוגהRetrograde motion
قوانين كبلرחוקי קפלרKepler's laws
القطع الناقصאליפסהEllipse
البؤرةמוקדFocus
نصف المحور الأكبرחצי הציר הראשיSemi-major axis
الحضيض · الأوجפריהליון · אפהליוןPerihelion · Aphelion
الوحدة الفلكيةיחידה אסטרונומיתAstronomical unit (AU)
قانون الجذب العام (قانون الجاذبية)חוק הכבידהLaw of universal gravitation
ثابت الجذب العامקבוע הכבידהGravitational constant
تجربة كافندشניסוי קוונדישCavendish experiment
المدّ والجزرגאות ושפלTides
القمر الاصطناعيלווייןSatellite
المدارמסלולOrbit
الكوكبכוכב לכתPlanet
القمر الثابت بالنسبة للأرض (جيوستاشيونري)לוויין גאוסטציונריGeostationary satellite
مجال الجاذبيةשדה כבידהGravitational field
شدّة المجالעצמת השדהField strength
مجال مركزي · مجال منتظمשדה רדיאלי · שדה אחידRadial field · Uniform field
خطوط المجالקווי שדהField lines
قوّة حافظةכוח משמרConservative force
طاقة الثقل الوضعية (الطاقة الكامنة)אנרגיה פוטנציאלית כבידתיתGravitational potential energy
سرعة الإفلاتמהירות מילוטEscape velocity
طاقة الربطאנרגיית קשרBinding energy

تمارين ملائمة لبنود الفصل:

1.
(للبند 9.1) يدور كويكب حول الشمس في مدار نصف محوره الأكبر 2.8 AU. احسبوا زمن دورته بالسنوات.
الإجابات: T = 4.69 yr
2.
(للبند 9.1) يدور القمران A و B حول الكوكب نفسه في مدارين دائريين، ونصف قطر مدار B أكبر 9 مرّات من نصف قطر مدار A (انظروا الرسم؛ الرسم ليس بمقياس حقيقي). زمن دورة A هو 2 يوما. احسبوا زمن دورة B.
MABrArB
الإجابات: TB = 27·TA = 54 d
3.
(للبند 9.2) كيف تتغيّر قوّة الجذب بين جسمين إذا:
(أ) تضاعفت كتلة أحدهما وتضاعف البُعد بينهما؟
(ب) تضاعفت الكتلتان وقلّ البُعد إلى النصف؟
الإجابات: (أ) F' = 12·F ؛ (ب) F' = 16·F
4.
(للبند 9.2) كتلة كوكب 3 أضعاف كتلة الأرض ونصف قطره 1.5 ضعف نصف قطر الأرض. احسبوا تسارع السقوط الحرّ على سطحه، ووزن جسم كتلته 10 kg هناك.
الإجابات: g = 13.3 m/s² ، F = 133 N
5.
(للبند 9.3) على أيّ ارتفاع فوق سطح الأرض تساوي شدّة مجال الجاذبية 1 N/kg؟
الإجابات: r = 2·107 m ، h = 1.36·107 m
6.
(للبند 9.3) كتلة المرّيخ 6.42·1023 kg ونصف قطره 3.39·106 m. احسبوا سرعة الإفلات من سطحه، وقارنوها بسرعة الإفلات من الأرض.
الإجابات: vesc = 5 km/s ، نحو 0.45 من سرعة الإفلات من الأرض

تمارين تلخيصية:

1.
بُعد الحضيض لمذنّب 2·1011 m وسرعته فيه 40 km/s، وبُعد الأوج 8·1011 m. احسبوا سرعته في الأوج ونصف المحور الأكبر لمداره.
الإجابات: va = 10 km/s ، a = 5·1011 m
2.
قمر اصطناعي كتلته 1000 kg يدور على ارتفاع 600 km فوق سطح الأرض. احسبوا قوّة الجذب المؤثّرة عليه، وقارنوها بوزنه على سطح الأرض.
الإجابات: F = 8197 N ، على السطح 10000 N
3.
قمر اصطناعي يدور حول الأرض في مدار دائري على ارتفاع 1000 km. احسبوا سرعته المدارية وزمن دورته بالدقائق.
الإجابات: v = 7350 m/s ، T = 105 min
4.
القمر «آيو» يدور حول المشتري في مدار نصف قطره 4.22·108 m بزمن دورة 1.77 يوما. احسبوا كتلة المشتري.
الإجابات: M = 1.9·1027 kg
5.
يُطلَق جسم من سطح الأرض عموديا بسرعة 8 km/s. احسبوا أقصى ارتفاع يصل إليه فوق السطح (أهملوا مقاومة الهواء).
الإجابات: h = 6.68·106 m ≈ 6681 km
6.
قمر اصطناعي كتلته 200 kg يدور حول الأرض في مدار دائري نصف قطره 1·107 m. احسبوا طاقته الحركية وطاقته الوضعية وطاقته الكلّية، وطاقة ربطه.
الإجابات: Ek = 3.98·109 J ، UG = −7.96·109 J ، E = −3.98·109 J ، Eb = 3.98·109 J

تمارين تعمّق:

1.
(*) قمر اصطناعي كتلته 200 kg يدور حول الأرض في مدار دائري نصف قطره 1·107 m.
(أ) ما الطاقة التي يجب إضافتها إليه لنقله إلى مدار دائري نصف قطره 2·107 m؟
(ب) هل سرعته في المدار الجديد أكبر أم أصغر؟ علّلوا بواسطة الطاقة.
الإجابات: (أ) ΔE = 1.99·109 J ؛ (ب) أصغر: الطاقة الوضعية ازدادت بمقدار ضعف ما نقصت به الطاقة الحركية
2.
(*) نيزك بعيد جدّا عن الأرض (طاقته الكلّية صفر تقريبا) يسقط نحوها. احسبوا سرعته لحظة وصوله إلى الغلاف الجويّ (عند r ≈ R). ما النسبة بين هذه السرعة وسرعة قمر اصطناعي يدور قرب سطح الأرض؟
الإجابات: v = 2·G·MR = 11.2 km/s ؛ النسبة 2
3.
(*) قمر اصطناعي كتلته 400 kg يدور حول الأرض في مدار دائري نصف قطره 7·106 m. بسبب احتكاك ضعيف بأعالي الغلاف الجويّ ينتقل ببطء إلى مدار دائري أدنى نصف قطره 6.8·106 m.
(أ) احسبوا سرعته في كلّ من المدارين.
(ب) احسبوا التغيّر في طاقته الكلّية.
(ج) قوّة الاحتكاك تعاكس اتّجاه الحركة — ومع ذلك ازدادت سرعة القمر الاصطناعي. اشرحوا من أين جاءت الزيادة في الطاقة الحركية.
الإجابات: (أ) v1 = 7542 m/s ، v2 = 7652 m/s ؛ (ب) ΔE = −3.35·108 J ؛ (ج) الطاقة الوضعية نقصت بمقدار ضعف الزيادة في الطاقة الحركية: نصف النقصان ذهب إلى الطاقة الحركية ونصفه فُقد بالاحتكاك
الإجابات النهائية لأسئلة الفصل
9.1 أطوار الزهرة الكاملة تناقض بطليموس مباشرة؛ أقمار المشتري تردّ على حجّة القمر
9.2 vpva = 1.6 ؛ في الحضيض
9.3 T = 27 سنة ؛ a = 17.8 AU
9.4 F = 3.52·1022 N ؛ القوّة لا تتغيّر (البسط يكبر 4 مرّات والمقام يكبر 4 مرّات)
9.5 g = 24·gE = 5 m/s² ؛ g = 32.25·gE = 13.3 m/s²
9.6 لأنّ هناك انتفاخين متقابلين يمرّ بهما الشاطئ في دورة واحدة للأرض؛ ولأنّ القمر يتقدّم في مداره نحو 13° في اليوم فتحتاج الأرض إلى نحو 50 دقيقة إضافية لتلحق به
9.7 F = 695 N مقابل 800 N على السطح ؛ لأنّه في سقوط حرّ مع المحطّة
9.8 MS = 2.01·1030 kg ؛ v = 3953 m/s ، T = 11.2 h
9.9 r = 2·R ، h = 2.64·106 m ؛ F = 500 · 5 = 2500 N
9.10 v = 4·G·M3R = 9130 m/s ؛ لا
9.11 M = v2·R2G = 3·1025 kg ؛ تكبر بالعامل 2
9.12 v = 2·G·MSr = 42.1 km/s ؛ سرعة الأرض 29.7 km/s (النسبة 2)
9.13 Ek = 2·109 J ، UG = −4·109 J ؛ Eb = 2·109 J

שאלות בגרות – أسئلة بجروت للفصل 9

الأسئلة التالية مأخوذة كما هي من امتحانات البجروت لوزارة التربية والتعليم في الفيزياء، نموذج الميكانيكا (מכניקה — 36361): حتى سنة 2025 نعرض النسخة العربية الرسمية للامتحان، ومن سنة 2026 النسخة العبرية كما يحصل عليها الطالب في قاعة الامتحان. تحت كل سؤال جدول البنود والإجابات النهائية. الحل الكامل، خطوة بعد خطوة وبالعربية، مع محاكاة حية للسؤال، موجود في موقع المؤلف: نضغط على الرابط تحت السؤال.
بجروت 2026 السؤال 6 — الجاذبية — مدار إهليلجي، قانون المساحات وحقل الجاذبية
البندالمطلوبالإجابة النهائية
أموقع الكوكبالكوكب يقع في النقطة P
بالعبارات الثلاث عن القمرين الدائريَّينالعبارة 1 خاطئة · العبارة 2 صحيحة · العبارة 3 خاطئة
جكتلة الكوكب من المنحنىM ≈ 5.9 · 10²⁴ kg
دتعبير لسرعة الإفلاتفي الحل الكامل
هـنصف قطر الكوكب من المنحنىR ≈ 6.5 · 10⁶ m
الحل الكامل بالعربية لامتحان 2026 في موقع المؤلف: fahed-lab.com/physics
بجروت 2025 السؤال 6 — القمر الاصطناعيّ إكسبلورر 1 — مسار بيضاويّ مقابل مسار دائريّ، حفظ الطاقة، قانون كيبلر والشغل اللازم لرفع المسار
البندالمطلوبالإجابة النهائية
أمقارنة مقدار السرعة في A وفي Bمقدار السرعة في النقطة A أصغر من مقدار السرعة في النقطة B
بهل تنفّذ قوّة الجاذبيّة شغلًا بين A و Bنعم · قوّة الجاذبيّة تنفّذ شغلًا موجبًا · W ≈ 2.0×10⁸ J
جنصف قطر المسار الدائريّr ≈ 7.14×10⁶ m ≈ 7,140 km · ارتفاع نحو 770 km فوق سطح الكرة الأرضيّة
دالشغل اللازم لرفع القمر الاصطناعيّ 1,000 kmW ≈ 4.8×10⁷ J
هـزمن الدور في المسار الجديدT₂ ≈ 122 min · أطول من 100 دقيقة بنحو 22 دقيقة
الحل الكامل بالعربية لامتحان 2025 في موقع المؤلف: fahed-lab.com/physics
بجروت 2024 السؤال 6 — أورانوس، أقماره وأقمار اصطناعيّة في مسارات دائريّة — الجاذبيّة وقانون كبلر الثالث
البندالمطلوبالإجابة النهائية
أتسارع السقوط الحرّ على سطح أورانوسفي الحل الكامل
بالتسارع الرادياليّ لميراندافي الحل الكامل
جزمن دورة ميرانداT_M = 1.22271·10⁵ s ≈ 1.22·10⁵ s ، أي 33.96 ساعة
دالنسبة بين زمن دورة أرييل وزمن دورة ميراندافي الحل الكامل
هـقمران اصطناعيّان حول الكرة الأرضيّةفي الحل الكامل
الحل الكامل بالعربية لامتحان 2024 في موقع المؤلف: fahed-lab.com/physics
بجروت 2023 السؤال 6 — منظومة Trappist-1 — قانون كبلر الثالث، مجال الجاذبيّة، كتلة الكوكب وطاقة الإفلات
البندالمطلوبالإجابة النهائية
أإكمال الخانتَين الناقصتَين في الجدولT للكوكب c = 2.41 أيّام = 2.0787·10⁵ s ، r للكوكب d = 3.34·10⁹ m
بهل أيمن على حقّأيمن ليس على حقّ · v تساوي جذر G·M مقسومًا على r ، ولذلك كلّما كبر البُعد صغرت السرعة
ج(1)تعبير لتسارع الكوكب السيّار bg للكوكب b تساوي 4π²·r مقسومًا على T² ، وعدديًّا 4.01 m/s² وبالتقريب 4.0 m/s²
ج(2)هل الوزن على سطح الكوكب السيّار b هو m · g للكوكب bلا · g للكوكب b هي شدّة مجال جاذبيّة Trappist-1 في موقع المسار ، والوزن على سطح الكوكب السيّار يتحدّد من كتلة الكوكب السيّار نفسه ومن نصف قطره
دحساب كتلة الكوكب Trappist-1M = 4π²·r³ مقسومًا على حاصل ضرب G في T² ، وعدديًّا M = 1.80·10²⁹ kg
هـالنسبة بين إضافتَي طاقة الإفلاتΔE = G·M·m للسفينة مقسومًا على 2R ، ولذلك النسبة تساوي كتلة الشمس مقسومة على كتلة Trappist-1 وعدديًّا 11.1
الحل الكامل بالعربية لامتحان 2023 في موقع المؤلف: fahed-lab.com/physics
بجروت 2022 (موعد خاص) السؤال 6 — قمرا المرّيخ فوبوس وديموس — قانون كبلر الثالث، كتلة المرّيخ، تصادم عديم المرونة ورمية أفقيّة من ارتفاع التحليق
البندالمطلوبالإجابة النهائية
أ (1)نصف قطر مسار ديموسr_D = 2.346·10⁷ m ، أي بتقريب 2.35·10⁷ m
أ (2)هل يمكن حساب نصف قطر مسار قمر الكرة الأرضيّةلا، لا يمكن. ثابت كبلر يتعلّق بكتلة الجسم المركزيّ، والثابت المحسوب من فوبوس ومن ديموس يخصّ المرّيخ وحده. وكتلة الكرة الأرضيّة غير مُعطاة، ولذلك لدينا معادلة واحدة بمجهولَين
بكتلة الكوكب السيّار المرّيخM = 6.43·10²³ kg
جسرعة الجسم المركّب مباشرةً بعد الاصطدامv = 0.299 m/s ، أي بتقريب 0.30 m/s ، في الاتّجاه الأفقيّ لحركة النيزك
د (1)تسارع الجاذبيّة قرب سطح المرّيخg = 3.71 m/s²
د (2)الزمن من الاصطدام حتّى إصابة سطح المرّيخt = 3.28 s ، أي بتقريب 3.3 ثانية بعد الاصطدام
الحل الكامل بالعربية لامتحان 2022 في موقع المؤلف: fahed-lab.com/physics
بجروت 2022 السؤال 6 — السفينة الفضائيّة بريشيت 2 — نقطة التعادل بين قوّتَي الجاذبيّة، نسبة أنصاف أقطار المسارات حول القمر، التسارع المركزيّ واختيار المخطّط الذي يتيح توقّفًا لحظيًّا
البندالمطلوبالإجابة النهائية
أالبُعد الذي يتساوى فيه مقدارا قوّتَي الجاذبيّةx = 3.457·10⁸ m عن مركز الكرة الأرضيّة ، أي 3.832·10⁷ m عن مركز القمر
بالنسبة بين نصفَي قطر المسارَينالنسبة بين r₁ وبين r₂ تساوي 1.073 ، وبرقمَين معنويَّين 1.07
جهل يوجد للمسبار 2 تسارع، وما مقدارهنعم ، يوجد تسارع مركزيّ موجّه نحو مركز القمر ، ومقداره a = 1.23 m/s²
دأيّ قانون لنيوتن يلائم تماثل الكتلتَينقانون نيوتن الثالث ، قانون الفعل وردّ الفعل . تماثل الكتلتَين في الجداء m₁·m₂ يضمن تساوي مقدارَي القوّتَين المتبادلتَين
هـالمخطّط ب . الغاز يُطلق نحو سطح القمر ، ولذلك قوّة الدفع نحو الأعلى وأكبر من قوّة الجاذبيّة ، المحصّلة نحو الأعلى ، يتباطأ المسبار ويتوقّف توقّفًا لحظيًّا في النقطة O
الحل الكامل بالعربية لامتحان 2022 في موقع المؤلف: fahed-lab.com/physics
بجروت 2021 (موعد خاص) السؤال 6 — قمر الاتّصالات عاموس 1 — زمن الدورة، ارتفاع المسار، التسارع، قانون كبلر الثالث، ومقارنة السرعات مع نقطة على سطح الكرة الأرضيّة
البندالمطلوبالإجابة النهائية
أزمن دورة عاموس 1T = 24 h = 86400 s — لأنّ السرعة الزاويّة للقمر الاصطناعيّ تساوي سرعة دوران الكرة الأرضيّة الزاويّة
بارتفاع المسار فوق سطح الكرة الأرضيّةr = 4.23·10⁷ m · h = r − R_E = 3.59·10⁷ m، أي نحو 35,900 كيلومتر فوق سطح الكرة الأرضيّة
جمقدار تسارع القمر الاصطناعيّa = 0.223 m/s², موجّهة نحو مركز الكرة الأرضيّة
دارتفاع مسار القمر الاصطناعيّ الثانيr₂ = 2.95·10⁷ m · h₂ = 2.31·10⁷ m، أي نحو 23,100 كيلومتر فوق سطح الكرة الأرضيّة
هـالأقوال الثلاثةالقولان الصحيحان هما 1 و 3 · القول 2 غير صحيح
الحل الكامل بالعربية لامتحان 2021 في موقع المؤلف: fahed-lab.com/physics
بجروت 2021 السؤال 6 — برج فضائيّ على خطّ الاستواء — قوّة الجاذبيّة على ارتفاع، القوّة التي تؤثّر بها الأرضيّة، زمن دورة قمر اصطناعيّ والارتفاع الثابت بالنسبة إلى الأرض
البندالمطلوبالإجابة النهائية
أمخطّط القوى على أكرمقوّتان فقط · قوّة الجاذبيّة نحو مركز الكرة الأرضيّة، تؤثّر بها الكرة الأرضيّة · القوّة العموديّة نحو الأعلى، تؤثّر بها أرضيّة البرج · السهمان متساويان في الطول
بمقدار القوّة التي تؤثّر بها الأرضيّةN = F_g(r) = 310.14 N ≈ 3.1·10² N
جهل القوّة أصغر أم مساوية أم أكبرالقوّة أصغر من تلك التي في البند ب · تلزم محصّلة نحو مركز الدائرة m·ω²·r ولذلك N = F_g − m·ω²·r ≈ 306.59 N ≈ 307 N
دزمن دورة كرة التنسT = 9234 s ≈ 9.23·10³ s ≈ 2.565 ساعة، أي نحو ساعتين و 34 دقيقة
هـالارتفاع الذي فيه لا تؤثّر الأرضيّة بقوّةh = r₁ − R = 4.2493·10⁷ − 6.37·10⁶ = 3.6123·10⁷ m ≈ 3.61·10⁷ m ≈ 36100 km
الحل الكامل بالعربية لامتحان 2021 في موقع المؤلف: fahed-lab.com/physics
لوحة القوانين: كل قوانين هذا الفصل مجموعة مع رسومها وجداول رموزها في الفصل 10 — لوحة القوانين الشاملة. (נוסחאון הספר)