گرانی/گرانش

گِرانی/گرانش (gravity/gravitation)

گِراني/گرانش

گِراني/گرانش

نیروی جاذبۀ بین اجسام، به اعتبار جرم آن‌ها. هرچه جرم جسم بیشتر باشد، اجسام دیگر را قوی‌تر جذب می‌کند. در سطح زمین، گرانی سبب می‌شود که اجسام دارای وزن باشند. نیروی وزن سبب می‌شود اجسام با شتاب ۹.۸ متر بر مجذور ثانیه به‌طرف مرکز زمین به حرکت درآیند، ولی سطح زمین مانع از آن می‌شود که جسم ساقط شده در زمین فرو رود. جاذبۀ گرانی زمین کرۀ ماه را هم به‌طرف زمین می‌کشد و آن را در مداری به دور زمین در حرکت نگه می‌دارد. گرانی ماه در حدود یک‌ششم گرانی زمین است. به این ‌ترتیب، وزن اجسام در ماه کمتر از وزن آن‌ها در سطح زمین است. در حدود ۹۹.۸درصد از جرم منظومۀ خورشیدیدر خورشید متمرکز است و بر‌اثر همین جرم و نیروی گرانی عظیم ناشی از آن، همۀ سیارات منظومۀ خورشیدی به دور خورشید در گردش‌اند. سفینه‌های فضایی، که از سطح زمین پرتاب می‌شوند، پیش از ورود به فضا باید بر نیروی گرانی غلبه کنند. این عمل با موشک‌هایی تحقق می‌یابد که در مراحل متفاوتی از سفینه پرتاب می‌شوند. این سفینه‌ها به شتاب حرکتی در حدود سه ‌برابر شتاب گرانی (۳g) نیاز دارند. سرعت لازم برای غلبه ‌بر نیروی گرانی زمین برابر ۴۰هزار کیلومتر در ساعت است.

نیروی بنیادی طبیعت. گرانی یا گرانش یکی از چهار نیروی بنیادی طبیعت است. سه نیروی دیگر عبارت‌اند از نیروی الکترومغناطیسی، نیروی هسته‌ای قوی، و نیروی هسته‌ای ضعیف. نیروی گرانشی در این میان از همه ضعیف‌تر است، ولی اثرگذاری آن تا فواصل بسیار دور ادامه دارد. ذره‌ای را که به‌صورت اصل موضوعی حامل نیروی گرانشی می‌شناسند، گراویتون نام داده‌اند.

اندازه‌گیری گرانی. در ۱۷۷۴، نِویل ماسکیلین یکی از اولین آزمایش‌های گرانشی را صورت داد. در این آزمایش، نیروی جاذبه‌ای اندازه‌گیری شد که کوه شیهالیون، واقع در اسکاتلند، بر گلولۀ شاغول وارد می‌کرد.

اندازه‌گیری نیروهای جاذبه. اولین آزمایش برای اندازه‌گیری نیروی جاذبۀ بین دو جرم را جی میچل، روحانی اواسط قرن ۱۸، برنامه‌ریزی کرد، ولی عمرش برای کار با اسبابی که طراحی و تکمیل کرده بود، کفایت نکرد. پس از مرگ میچل، وسیلۀ اندازه‌گیری‌اش به هنری کاوندیش رسید. کاوندیش با حفظ طرح اولیۀ میچل، این وسیله را بازسازی کرد. جرم‌هایی که قرار بود تحت تأثیر جاذبه قرار گیرند، دو گوی کوچک بودند که به دو سر تیر چوبی محکمی متصل می‌شدند و چوب هم از وسط به سیمی ظریف و طویل آویزان می‌شد. این قسمت از دستگاه کاملاً در داخل محفظه‌ای قرار می‌گرفت. محفظه نیز، برای آن‌ که تا حد ممکن دمای یکنواختی داشته باشد، به‌دقت با روکشی از جنس قلع پوشانده شده بود. توزیع بی‌نظم دما ممکن بود منجربه تولید جریان‌های همرفتی هوا شود و در این ‌صورت، اثر اختلال درخور توجهی روی سامانۀ تعلیق پدید می‌آمد. آینۀ کوچکی را نیز به تیر چوبی متصل کرده بودند که تیغۀ آن در راستای قائم قرار می‌گرفت. پنجرۀ شیشه‌ای کوچکی در محفظه تعبیه شده بود که مشاهدۀ هرگونه حرکت آینه را، با توجه به انحرافات پرتوی که از آن بازتابیده می‌شد، امکان‌پذیر می‌کرد. جرم‌های متصل به تیر چوبی دو کرۀ سربی با جرم یکسان و زیاد بودند. در ۱۷۹۷، کاوندیش با استفاده از این دستگاه ثابت گرانشی G را برابر با ^۱۱-۱۰×۶.۶ نیوتون متر مربع بر مجذور کیلوگرم به‌‌دست آورد. عموماً این مقدار را، برابر ۶.۶۵۷۶ ۱۰^-۱۱ N.m^۲.gk^-۲ در نظر می‌گیرند.

قانون‌های نیوتون. بنابر قانون گرانش آیزاک نیوتون، همۀ اجسام با شتاب یکسانی به زمین سقوط می‌کنند و مقدار شتاب به جرم جسم بستگی ندارد. برای جسمی به جرم m_۱ که در فاصلۀ rاز مرکز زمین (به جرم m_۲) قرار دارد، نیروی جاذبۀ گرانشی F عبارت است از (فرمول ۱) که در آن، G ثابت گرانشی است. بنابر قانون دوم حرکت نیوتون، نیروی F برابر است با F = m_۱g که در آن، g شتاب ناشی از گرانی است. بنابراین، داریم (فرمول ۲). به این ترتیب، شتاب گرانی g برای هر جسم مستقل از جرم آن است. مقدار این شتاب در سطح زمین برابر با ۹.۸۰۶ متر بر مجذور ثانیه است.

سرعت فرار. سرعت لازم برای هر پرتابه یا سفینۀ فضایی است، وقتی قرار است از میدان گرانشی معیّنی بگریزد. سرعت فرار از سطح زمین در حدود ۴۰هزار کیلومتر در ساعت و از سطح کرۀ ماه، با یک‌ششم کشش گرانشی زمین، حدود ۸,۵۰۰ کیلومتر در ساعت است.

نسبیت. در نظریۀ نسبیت عام آلبرت اینشتین، گرانش نه به‌‌صورت نیرو، که به‌صورت انحنای فضا ـ زمان در اطراف جسم در نظر گرفته می‌شود. خم‌شدن راستای انتشار نور در میدان گرانشی و ظهور پدیدۀ انتقال به سرخ از پیامدهای پیش‌بینی‌شدۀ نسبیت است. امواج گرانشی پیش‌بینی دیگر نسبیت است که بر‌اثر آشفتگی شدید اجسام پرجرم تولید می‌شوند. این موج‌ها آن‌چنان ضعیف‌اند که هنوز هم با قطعیت آشکارسازی نشده‌اند، هرچند مشاهدات تپ‌اخترهایی که در فواصل زمانی منظم از خود انرژی گسیل می‌کنند و در مدارهایی به دور ستاره‌های دیگر در گردش‌اند، نشان داده است که تپ‌اختر و ستاره با آهنگی پیچ ‌و تاب می‌خورند که با این فرض سازگار است که انرژی‌ آن‌ها از راه امواج گرانشی گسیل می‌شود. گرانی‌سنج وسیله‌ای برای اندازه‌گیری نیروی گرانی در موقعیت‌های مکانی خاص است.

تغییرات. نیروی گرانی بر وزنه‌ای که از فنر آویزان شده است، منجربه کشیدگی یا تغییر طول فنر می‌شود. گرانی‌سنج را در نقشه‌برداری هوایی به‌کار می‌برند. ویژگی‌های زمین‌‌شناختی، ازجمله سنگ‌های نفوذی و گنبدهای نمکی، با تغییر طول فنر تشخیص‌ داده‌ می‌شوند.

 

---