مفهوم انعدام الجاذبية الأرضية

بواسطة: - آخر تحديث: ٠٩:٢٢ ، ٢٩ سبتمبر ٢٠١٩
مفهوم انعدام الجاذبية الأرضية

تعريف الجاذبية الأرضية

يمكن تعريف الجاذبية على أنها قوة الجذب العالمية التي تؤثر على جميع أشكال المادة، وتعد الجاذبية أضعف قوة في الطبيعة فهي لا تؤثّر على الخصائص الداخلية للمواد بل تؤثر على أوزانها، وتنشأ هذ الأوزن نتيجة قوة الجاذبية الناشئة من كتلة الأرض، وتقاس الجاذبية من خلال التسارع الذي تعطيه للأجسام الساقطة بحرية، والذي تبلغ قيمته حوالي 9.8 متر/ ث2، وقد يكون تأثير الجاذبية قريب المدى بحيث تجذب الأجسام إلى سطح الأرض، أو بعيد المدى فتجعل الأجسام تدور في مدارات حول الكرة الأرضية، ويجب التنويه أيضًا إلى مفهوم انعدام الجاذبية الأرضية الذي يستخدم عادةً لوصف قوى الجاذبية في الفضاء والذي سيتم التحدث عنه بالتفصيل لاحقًا.[١]

قانون الجاذبية الأرضية

يجب قبل التعرف على مفهوم انعدام الجاذبية الأرضية التعرف على قانون الجاذبية؛ إذ يعد قانون الجاذبية أحد أهم قوانين القوى الأساسية في فهم الفيزياء، فعند فهم الجاذبية يمكن معرفة الطريقة التي يعمل بها هذا العالم، وليس من الممكن التحدث عن الجاذبية دون ذكر إسحاق نيوتن الذي وضع قانون الجاذبية، فقد بدأ نيوتن التفكير في الجاذبية بعد رؤيته لتفاحة تسقط من شجرة على سطح الأرض متسائلًا إذا كان سلوك هذه التفاحة على سطح القمر مشابهًا لسلوكها على الأرض، وبعدها توصل نيوتن إلى أن التفاحة والقمر في الواقع تأثرا بنفس القوة، وأطلق على تلك القوة اسم قوة الجاذبية، بحيث ينص قانون نيوتن للجاذبية على أن كل جسيم من المادة في الكون يجذب كل جسيم آخر بقوة تتناسب طرديًا مع كتل الجسيمات تلك وعكسيًا مع مربع المسافة بينهما، وفي ما يأتي معادلة قانون نيوتن للجاذبية:[٢]

قوة الجاذبية =6.67259 * 10-11 * كتلة الجسيم الأول * كتلة الجسيم الثاني / مربع المسافة المستقيمة الواقعة بين الجسيمين.

بحيث إنّ وحدة قياس قوة الجاذبية هي نيوتن، وحدة قياس الثابت هي نيوتن * م2 / كغ2، وحدة قياس كتلة كل من الجسمين هي كغ، ووحدة قياس مربع المسافة هي م2.

آثار الجاذبية على الأرض

يعد تأثير الجاذبية على الأرض من أهم مصادر القوة التي تعمل على تماسك الأجسام على سطح الأرض، فعند انعدام الجاذبية سوف تصبح الحياة على سطح الكرة الأرضية مستحيلة، وسوف يتم تفصيل مفهوم انعدام الجاذبية الأرضية لاحقًا، ولكن قبل ذلك من المهم ذكر آثار الجاذبية على الأرض، وهي كالآتي:[٣]

  • تجذب كل شيْ بالقرب من سطح الكرة الأرضية.
  • تمنع الكوكب من التفكك بسبب قوة الطرد المركزي.
  • تحافظ على بقاء الغلاف الجوي في مكانه حول الأرض.
  • تعمل على إبقاء الكرة الأرضية في مدارها حول الشمس.
  • تسبب قوى الجاذبية ظاهرتي المد والجزر.
  • تسمح للأقمار الصناعية في البقاء داخل مداراتها حول الأرض.
  • تعد أهم سبب لتكوّن الأرض، فبدونها ستكون الأرض عبارة عن سحابة من الأغبرة والغازات.

الجاذبية والكون

يتكون الكون من عدد لا يحصى من الأجسام التي يؤثر كل منها بالآخر، فبالتالي لا بد من نشوء قوى جذب فيما بينها، حيث تعمل قوى الجاذبية في الكون على إبقاء جميع الكواكب داخل مداراتها حول الشمس وعلى إبقاء القمر في مداره حول الأرض، ويؤثر القمر على الأرض من خلال سحب البحار باتجاهه مما يؤدي إلى حدوث ظاهرتي المد والجزر في المحيطات، وتعد قوة الجاذبية السبب الرئيس في تكوّن النجوم والكواكب عن طريق تجمّع المواد التي نشأت منها، واكتشف ألبرت أينشتاين أن تأثير الجاذبية في الكون لا يقتصر على الكتل فقط وإنما على الضوء أيضًا، وتعد الثقوب السوداء من الأجسام التي تتمتع بجاذبية قوية جدًا، إذ لا يستطيع حتى الضوء الإفلات من قوة جذبها بالرغم من حجمها الصغير نسبيًا، ويمكن في النهاية استنتاج أن جاذبية الكون هي المسبب الأساسي في تكون العالم وتجمّعه معًا، وفيما يأتي سيتم التحدث عن مفهوم انعدام الجاذبية الأرضية في الكون.[٤]

مفهوم انعدام الجاذبية الأرضية

يعتقد كثير من الناس أن الجاذبية غير موجودة في الفضاء، وهو اعتقاد خاطئ، إذ تتعرض المركبات الفضائية لقوة الجاذبية الأرضية التي تحافظ على إبقائها في مدارات حول الأرض بدل الارتطام بها لأن حقل الجاذبية الأرضية أقوى بِ 88.8% على ارتفاع 250 ميلًا منه على سطح الأرض، ولذلك فإن مفهوم انعدام الجاذبية الأرضية لا يعني أن الجاذبية تساوي صفرًا في الفضاء وإنما تعني أن مقدار قوة الجذب وكيفية تأثيرها تختلف باختلاف البعد عن سطح الأرض، فلذلك عندما يقوم رائد الفضاء بإسقاط تفاحة مثلًا، فإنها لا تبدو للناظر ويكأنها تسقط باتجاه أرضية المركبة، وذلك لأن التفاحة ورائد الفضاء والمركبة الفضائية يسقطون معًا، ولكن يكون سقوطهم داخل مدار حول الأرض بدلًا من سقوطهم باتجاهها، ولأن هذه الأجسام تسقط معًا بنفس السرعة فإنها تبدو وكأنها تطفو في الفضاء.[٥]

يعد مفهوم انعدام الجاذبية الأرضية مقياسًا لدرجة تعرض جسم موجود في الفضاء للتسارع، ومن الممكن استخدام هذا المصطلح بشكل مترادف مع مصطلح انعدام الوزن أو الجاذبية الصغرى، بحيث إن تسارع هذه الجاذبية يعادل واحد من مليون تسارع الجاذبية على سطح الأرض.[٦]

أماكن انعدام الجاذبية

لا يعني الحديث عن مفهوم انعدام الجاذبية الأرضية أن الجاذبية تساوي صفرًا، لأن الجاذبية موجودة في كل أنحاء الكون ولكن بنسب متفاوتة، إلا أن هنالك بعض الحالات التي تلغي فيها قوة ما تأثير قوة الجاذبية، وهذا ما يحدث داخل مركز الكرة الأرضية عند اعتبار أن شكل الأرض كروي تمامًا، ولكن لأن شكل الأرض غير متماثل فإنه لا يمكن الجزم بوجود نقطة في الأرض تنعدم فيها الجاذبية، وفي ما يأتي أماكن تشهد انعدام الجاذبية بصورة أو أخرى:[٧]

  • المحطة الفضائية الدولية: إذ تبقى هذه المحطة معرضة إلى حوالي 90% من الجاذبية الأرضية، ولكن تعرض المحطة لهذا المقدار من الجاذبية يجعلها تسقط بشكل سريع داخل مدار حول الأرض بدل سقوطها نحوها، مما يلغي تأثير الجاذبية الأرضية فتجلها في حالة انعدامٍ للجاذبية.
  • مقصورات تدريب رواد الفضاء: والتي تعرف أيضًا باسم مذنب القيء Vomit Comet، إذ تقوم هذه المقصورات بالتحليق بأسلوب يشابه الموجات، بحيث تسقط سقوطًا حرًا بسرعة معينة تجعل قيمة الجاذبية المحلية داخل المقصورة تساوي صفرًا.

تأثير انعدام الجاذبية الأرضية على الأنظمة الخلوية

تؤثر الجاذبية على جميع الظواهر الفيزيائية والحيوية باستمرار، حيث قامت الكائنات الحية المختلفة بالتكيف مع الجاذبية عن طريق تطوير أنظمة خاصة لتزويد أغشية الخلايا بالصلابة اللازمة، ولتنظيم تدفق السوائل وتقديم الدعامة الهيكلية المناسبة لحركة هذه الكائنات، ولكن أكدت الدراسات المختلفة أن أثر الجاذبية على الكائنات الحية يمتد لأكثر من ذلك، فمع فشل الدراسات التجريبية الأولى التي قامت في ستينات القرن الماضي في تحديد آثار ملموسة لانعدام الجاذبية على الأنظمة الحيوية، إلا أن الدراسات اللاحقة أثبتت أن هنالك علاقة وثيقة تربط ما بين القوة الجسدية والوظائف البيولوجية تحت تأثير مفهوم انعدام الجاذبية الأرضية.[٨] رغم عدد من الإيجابيات التي ظهرت في الأبحاث المختبرية على نمو الخلايا وترابطها، إلا أن التعرض لانعدام الجاذبية يضعف بشكل كبير من الوظائف الحيوية المختلفة، إذ إن الخلايا ليست عمياء فيما يتعلق بوجود الجاذبية أو عدمها، الأمر الذي يؤكد على العلاقة الوثيقة بين مفهوم انعدام الجاذبية الأرضية والأنظمة الحيوية للمتعرضين له، فقد أكدت الدراسات أن انعدام الجاذبية له أثر سلبي على العمليات الخلوية الأساسية والتي تشمل؛ التحكم في النمو، وعمليات الأيض، وأنظمة الاضمحلال والتغييرات الخلوية، وبعض الجينات المتعلقة بأنواع الأكسجين التفاعلية التي تزيد من الإجهاد التأكسدي، كما تمّت ملاحظة تغييرات في ألياف العضلات والهياكل الخلوية التي تؤثر على شكل الخلايا والأنسجة والإشارات الخلوية وحركة الخلايا وموتها المبرمج.

تأثيرات انعدام الجاذبية الأرضية على رواد الفضاء

يترادف مع مفهوم انعدام الجاذبية الأرضية الشعور بانعدام الوزن وعدم الشعور بآثار الجاذبية، ومع أن الجاذبية موجودة في كل مكان داخل هذا الكون، إلا أن رواد الفضاء لا يشعرون بآثار الجاذبية خارج نطاق الكرة الأرضية، لأن سرعة تحرك المحطات الفضائية باتجاه الفضاء تعادل سرعة السقوط الحر لها بفعل الجاذبية، وهذا يعني عدم انجذاب رواد الفضاء ومركباتهم لأي اتجاه، فيطفون في الفضاء، ومع عدم حاجة رواد الفضاء إلى تحميل أقدامهم عبء أوزانهم عند انعدام الجاذبية، إلا أن انعدام الجاذبية يؤثر بشكلٍ سيء على الصحة على المدى الطويل، إذ إنها تتسبب في إضعاف العظام والعضلات وتؤدي إلى تغيرات أخرى داخل الجسم، وتعمل المحطة الفضائية الدولية على دراسة هذه التأثيرات على صحة رواد الفضاء خلال فترات طويلة من تعرضهم لانعدام الجاذبية، وتقسم تأثيرات انعدام الجاذبية الأرضية على رواد الفضاء إلى قسمين أساسين؛ آثار صحية مؤقتة وآثار صحية طويلة الأمد.[٩]

آثار صحية مؤقتة

يعمل انعدام الوزن على استرخاء العديد من الأنظمة الرئيسة في جسم الإنسان، بحيث يصبح الجسم غير مضطر لمقاومة قوة الجاذبية، فقد ذكرت وكالة ناسا بأنه يتولد لدى رواد الفضاء حيرة فيما يتعلق بالاتجاهات، فيصعب عليهم تمييز الأعلى من الأسفل، فلا يميزون الأرضية من السقف، كما يفقد رواد الفضاء الإحساس بالأطراف، وقد يصابون بالغثيان.

آثار صحية طويلة الأمد

يمكن أن تمتد رحلات الفضاء من عدة أسابيع إلى أشهر عديدة، الأمر الذي قد يسبب العديد من المشاكل الصحية، فمن الممكن أن تضعف العظام من خلال إفراز الكالسيوم المخزّن في العظام داخل البول، مما يجعل العظام أكثر عرضة للكسر، كما يفقد رواد الفضاء جزءًا من كتلتهم العضلية، ويتعرض رواد الفضاء إلى نسبة مرتفعة من ثاني أكسيد الكربون داخل المركبة مما قد يسبب مشاكل في العيون، وقد يستغرق رواد الفضاء شهورًا في مراكز إعادة التأهيل للتأقلم على الأرض بعد عودتهم من الفضاء.

انعدام الجاذبية في علاج الأمراض

تم تطوير تقنية الغمر الجاف بالاعتماد على مفهوم انعدام الجاذبية الأرضية، فقد تم تطوير هذه التقنية في البداية لدراسة تأثير الجاذبية الصغرى على جسم الإنسان ومن ثم اتخاذ التدابير المناسبة لمنع التأثير السلبي لانعدام الجاذبية على رواد الفضاء، بحيث يقوم مبدأ عمل هذه التقنية على غمر شخص في حوض مائي، إذ يحتوي حوض الغمر على آلية رفع وأنظمة ترشيح وأنظمة تحكم بدرجات الحرارة، ويفصل الشخص عن الماء عن طريق قطعة قماش رقيقة مقاومة للماء، فيحاكي هذا الحوض ظروف انعدام الجاذبية، ولكن هنالك عدد من الأمور التي قد تنعكس سلبًا على صحة الإنسان عند استخدام هذه الطريقة كمشاكل عصبية ومشاكل قلبية تنتج من التغير في توزيع السوائل في الجسم، وفيما يأتي بعض فوائد هذه التقنية في علاج بعض الأمراض والحالات المختلفة:[١٠]

  • استرخاء العضلات.
  • زيادة مناعة الجسم.
  • القضاء على الوذمة.
  • إعادة تنظيم ضغط الدم.
  • الطب الرياضي.
  • طب العظام.
  • التئام الجروح.
  • علاج اختلالات الهرمونات.
  • الحفاظ على صحة القلب.
  • تأهيل الأطفال الخدج.
  • العلاج التأهيلي لبعض الأمراض النفسية والعصبية.

الدراسات العلمية القائمة على مفهوم انعدام الجاذبية الأرضية

نظرًا للتطور في فهم العلاقة بين مفهوم انعدام الجاذبية الأرضية والأنظمة الحيوية والكيميائية والفيزيائية، فقد دعت الحاجة إلى القيام بدراسات علمية موسعة للاستفادة من الجوانب الاقتصادية والصناعية والاجتماعية لهذه الأبحاث، وقد بدأت وكالة ناسا بالقيام بهذه الدراسات منذ ما يقارب 25 سنة، وفيما يأتي بعض المجالات المختلفة ضمن برنامج ناسا لدراسة آثار انعدام الجاذبية.[١١]

التكنولوجيا الحيوية

بحيث يطبق مفهوم انعدام الجاذبية الأرضية على تجارب بلورات البروتينات التي تساعد في فهم وظيفة البروتين في الجسم، بحيث قد تساعد في تطوير أدوية وعلاجات للعديد من الأمراض، إذ من الممكن إنتاج هذه البلورات بشكل أكثر دقة وأكبر حجمًا تحت ظروف انعدام الجاذبية، كما تستخدم هذه الظروف في تجارب زراعة الخلايا وتكوين الأنسجة التي من الممكن أن تستخدم في المستقبل في عمليات زرع الأعضاء، وقد قامت هذه الأبحاث بتقدم ملحوظ في فهم العديد من الأمراض كالإيدز والسرطان والسكري وأمراض القلب.

فيزياء السوائل

حيث إن الفهم المتعلق بالسوائل وكيفية حركتها وسلوكاتها تحت تأثير الجاذبية يختلف عنه عند انعدامها، وتقوم الدراسات القائمة على مفهوم انعدام الجاذبية الأرضية بتقديم فهم أفضل لفيزياء السوائل عن طريق تطوير قاعدة للتنبؤ بسلوكات السوائل وكيفية التحكم بها وتطوير العمليات التكنولوجية المتعلقة بها، بحيث إن سلوك السوائل هو أساس لدراسة التكنولوجيا الحيوية وعلم المواد وعمليات الاحتراق وغيرها.

علم المواد

علم المواد هو العلم الذي يختص بالبحث في العلاقات بين هيكل المادة وخصائصها وطرق معالجتها، بحيث تقوم الأبحاث القائمة على مفهوم انعدام الجاذبية الأرضية بدراسة تصلب المادة وتكون البلورات وإنتاج السبائك والزجاج والسيراميك، بحيث تساهم نتائج هذه الدراسات في العمليات التصنيعية في المستقبل لإنتاج مواد خفيفة وسبائك أقوى تمتلك خصائص ليس لها مثيل.

علم الاحتراق

إذ تقوم الأبحاث القائمة على مفهوم انعدام الجاذبية الأرضية في هذا المجال على دراسة العمليات المهمة للاشتعال وانتشار اللهب وانخماده أثناء عمليات الاحتراق، بحيث إن الهدف الرئيس من هذه الأبحاث هو اكتساب المعرفة الأساسية المتعلقة بعمليات الاحتراق وحل مشاكل السلامة من الحرائق في الفضاء، ومن الأهداف المستقبلية لهذه الأبحاث إيجاد وقود أكثر كفاءة وأمان لبيئة أكثر نظافة وصحة.

المراجع[+]

  1. "Gravity", www.britannica.com, Retrieved 24-9-2019. Edited.
  2. "Newton's Law of Gravity", www.thoughtco.com, Retrieved 24-09-2019. Edited.
  3. "What effects does gravity have on Earth?", www.quora.com, Retrieved 24-09-2019. Edited.
  4. "What is gravity?", spaceplace.nasa.gov, Retrieved 24-09-2019. Edited.
  5. "What is Microgravity?", www.nasa.gov, Retrieved 25-09-2019. Edited.
  6. "Microgravity", www.britannica.com, Retrieved 25-09-2019. Edited.
  7. "Is there a place where gravity is zero?", www.quora.com, Retrieved 25-09-2019. Edited.
  8. "How Microgravity Affects the Biology of Living Systems", www.ncbi.nlm.nih.gov, Retrieved 25-09-2019. Edited.
  9. "Weightlessness and Its Effect on Astronauts", www.space.com, Retrieved 24-09-2019. Edited.
  10. "Using weightlessness to treat multiple ailments", www.nasa.gov, Retrieved 25-09-2019. Edited.
  11. "Microgravity Research Program", www.nasa.gov, Retrieved 25-09-2019. Edited.