هل تسقط جميع الأجسام بالسرعة نفسها؟
إن سقوط الأجسام هي ظاهرة فيزيائية تحدث عندما تُترك الأجسام بدون أي قوة تدعمها، مما يؤدي إلى سقوطها نحو مركز الكتلة. وقد درس هذه الظاهرة إسحاق نيوتن في القرن السابع عشر واكتشف أنه بغض النظر عن كتلة الجسم أو شكله أو خصائصه الأخرى، فإن جميع الأجسام تسقط بنفس التسارع في فراغ ما.
قوة الجاذبية
القوة المسؤولة عن سقوط الأجسام هي قوة الجاذبية. وهي قوة جذب بين أي جسمين لهما كتلة. كلما زادت كتلة الجسم، زادت قوة الجاذبية المؤثرة عليه. وكلما زادت المسافة بين الجسمين، قلّت قوة الجاذبية بينهما.
في حالة الأجسام الساقطة، فإن قوة الجاذبية بين الجسم والأرض هي التي تسحبه نحو الأسفل. كلما زادت كتلة الجسم، زادت قوة الجاذبية المؤثرة عليه، وبالتالي سقط بسرعة أكبر.
ومع ذلك، فإن قوة مقاومة الهواء تؤثر أيضًا على سقوط الأجسام. وكلما زادت مساحة السطح لجسم ما، زادت قوة مقاومة الهواء المؤثرة عليه، مما يؤدي إلى إبطائه.
تسارع السقوط الحر
تسارع السقوط الحر هو التسارع الذي يسقط به جسم ما في فراغ ما، تحت تأثير قوة الجاذبية وحدها. على سطح الأرض، يكون تسارع السقوط الحر ثابتًا تقريبًا ويساوي 9.8 مترًا لكل ثانية مربعة.
يعني هذا أنه بغض النظر عن كتلة أو شكل الجسم، فإن جميع الأجسام ستتسارع بنفس المعدل عندما يكون في سقوط حر. على سبيل المثال، إذا أسقطت ريشة وكرة حديدية معًا في فراغ، فستهبطان معًا.
ومع ذلك، في الهواء العادي، فإن مقاومة الهواء ستؤدي إلى سقوط الريشة بشكل أبطأ من الكرة الحديدية، نظرًا لمساحتها السطحية الأكبر.
تجربة جاليليو
كان جاليليو جاليلي أحد العلماء الأوائل الذين أظهروا تجريبياً أن جميع الأجسام تسقط بنفس التسارع. في القرن السابع عشر، أجرى جاليليو سلسلة من التجارب عن طريق إسقاط كرات مختلفة الأحجام من برج بيزا المائل.
اكتشف جاليليو أنه بغض النظر عن حجم أو وزن الكرات، فقد ضربت الأرض في نفس الوقت تقريبًا. وهذا يشير إلى أن جميع الأجسام تسقط بنفس التسارع، بغض النظر عن خصائصها.
أثبتت تجربة جاليليو أن تسارع السقوط الحر للجسم هو خاصية أساسية للمادة لا تعتمد على كتلة الجسم.
كتلة الجسم
لا تؤثر كتلة الجسم بشكل مباشر على معدل سقوطه. ومع ذلك، يمكن أن تؤثر الكتلة بشكل غير مباشر على سرعة سقوط الجسم إذا كانت قوة مقاومة الهواء عاملاً.
الأجسام ذات الكتلة الأكبر لها كثافة أكبر، مما يعني أنها تحتوي على المزيد من المادة لكل وحدة حجم. وهذا يمنحها مساحة سطح أصغر إلى حجم، مما يقلل من تأثير مقاومة الهواء.
وبالتالي، فإن الأجسام ذات الكتلة الأكبر ستميل إلى السقوط بشكل أسرع من الأجسام ذات الكتلة الأصغر في وجود الهواء، وذلك بسبب تأثير مقاومة الهواء الأقل.
شكل الجسم
يمكن أن يؤثر شكل الجسم أيضًا على سرعة سقوطه، خاصة في وجود الهواء. الأجسام ذات الأشكال غير المنتظمة أو ذات مساحة سطح كبيرة إلى حجم سيكون لها قوة مقاومة هواء أعلى من الأجسام ذات الأشكال الانسيابية أو مساحة السطح الأصغر إلى الحجم.
على سبيل المثال، سيسقط جسم مسطح مثل ورقة شجر أو مظلة أبطأ من جسم كروي مثل كرة بيسبول أو حجر، وذلك بسبب مساحة السطح الأكبر إلى الحجم للورقة أو المظلة.
تؤدي مقاومة الهواء الأكبر إلى تقليل تسارع الجسم، مما يؤدي إلى سقوطه بسرعة أقل.
المقاومة
مقاومة الهواء هي قوة تؤثر على الأجسام المتحركة في الهواء. تحدث مقاومة الهواء بسبب تصادمات الجزيئات في الهواء مع سطح الجسم.
تعتمد قوة مقاومة الهواء على عدة عوامل، بما في ذلك سرعة الجسم وشكل الجسم وكثافة الهواء. كلما زادت سرعة الجسم، زادت قوة مقاومة الهواء.
الأجسام ذات الأشكال غير المنتظمة أو ذات مساحة سطح كبيرة إلى حجم لها قوة مقاومة هواء أعلى من الأجسام ذات الأشكال الانسيابية أو مساحة السطح الأصغر إلى الحجم.
في حالة الأجسام الساقطة، يمكن أن يؤدي تأثير مقاومة الهواء إلى إبطاء سقوط الأجسام، خاصة الأجسام ذات الكتلة الأصغر أو الأشكال غير المنتظمة.
الرياح
يمكن أن تؤثر الرياح أيضًا على سرعة سقوط الجسم. إذا كان الجسم يسقط في اتجاه موافق للريح، فإن الرياح ستزيد من سرعته.
ومع ذلك، إذا كان الجسم يسقط في اتجاه معاكس للريح، فإن الرياح ستقلل من سرعته. في بعض الحالات، يمكن للرياح أن تدفع الجسم لأعلى، مما يؤدي إلى سقوطه ببطء أكبر أو حتى إيقاف سقوطه.
يجب مراعاة تأثير الرياح عند حساب سرعة سقوط الجسم، خاصة في الهواء العادي حيث تكون حركة الهواء أحد أهم العوامل المؤثرة.
استنتاج
باختصار، فإن جميع الأجسام تسقط بنفس التسارع في فراغ ما، بغض النظر عن كتلتها أو شكلها أو خصائصها الأخرى. هذا التسارع يُعرف باسم تسارع السقوط الحر ويساوي 9.8 مترًا لكل ثانية مربعة على سطح الأرض.
ومع ذلك، في الهواء العادي، فإن مقاومة الهواء تؤثر على سرعة سقوط الجسم. الأجسام ذات الكتلة الأكبر والأشكال الانسيابية ستميل إلى السقوط بشكل أسرع من الأجسام ذات الكتلة الأصغر والأشكال غير المنتظمة.
تؤثر الرياح أيضًا على سرعة سقوط الجسم، ويمكن أن تزيد من سرعته أو تقللها أو توقف سقوطه تمامًا في بعض الحالات. يجب مراعاة تأثير مقاومة الهواء والرياح عند حساب سرعة سقوط الجسم في الهواء العادي.