مدة القراءة

4 دقائق

حركة الكواكب حول الشمس، وإلي أى قوانين فيزيائية تخضع ؟

2914 قراءة

حركة الكواكب حول الشمس هي أمر يشغل بال الكثيرين، حيث يتشكل نظامنا الشمسي من نجم متوسط الحجم معروف باسم “الشمس”، ويرتبط كل شئ بهذا النجم نتيجة للجاذبية مثل الكواكب وعشرات الأقمار وملايين الكويكبات والمذنبات والنيازك، ولكي نفهم الأمر أكثر دعونا نتحدث عن حركة الكواكب حول الشمس والقوانين التي تحكمها.

حركة الكواكب حول الشمس

في البداية قبل الحديث عن طبيعة حركة الكواكب حول الشمس من المهم أن نعرف ما هو الكوكب، حيث أنَّ الكوكب عبارة عن جرم (جسم) سماوي يدور حول نجم في مدار خاص به، و يعتبر الكوكب كبير بما فيه الكفاية ليكون شكله مستديرا تقريبا بفعل جاذبيته.

نحن نعيش في مجرة درب التبانة في المجموعة الشمسية التي يبلغ عدد كواكبها تسعة كواكب، و هي: عطارد، الزهره، الارض، المريخ، المشتري، زحل، اورانوس، نبتون و بلوتو، حيث يدور كل كوكب من هذه الكواكب في مدار خاص به حول الشمس، لذلك سميت المجموعة الشمسية بهذا الإسم لأن كل كواكبها تدور حول الشمس.

بالنسبه لحركة الكواكب حول الشمس، تدور الكواكب حول الشمس بمدارات اهليجية بحيث تكون الشمس في إحدى بؤرتي هذا المدار، وحركة الكواكب (بل و جميع الاجسام السماوية) تخضع لقوانين كونية دقيقة، وقد قام عدد من الفلكيين الأوائل بكشف الكثير من هذه القوانين و صياغتها في قوانين فيزيائية و رياضيه لحساب سرعة اي كوكب او اي جرم (جسم) سماوي، و من أهم هذه القوانين هي قوانين كيبلر و قوانين نيوتن.

حركة الكواكب حول الشمس

حركة الكواكب وتفسيراتها على مر التاريخ

كان الإعتقاد السائد في الثقافات القديمة والعصور الوسطى أن كل من النجوم والكواكب تدور حول الأرض الثابتة، إلا أنه فيما بعد بدأ علماء الفلك خلال عصر النهضة في التشكيك بهذه النظرية، ثم اكتشفوا قوانين الميكانيكا المدارية، وقاموا بتحويل الفلسفة الطبيعية إلى ممارسة علمية.

اعتقاد دوران الكواكب والشمس حول الأرض

كان لدى الفلاسفة اليونانيون القدماء أفكار ونظريات متضاربة بشأن حركة الكواكب في السماء، فكان البعض يعتقد أن الكواكب تدور حول الشمس، إلا أن أرسطو – الذي سادت أفكاره – كان يرى أن كل من الكواكب والشمس يدورون حول الأرض. ظلت وجهة نظر أرسطو مسيطرة على الفلسفة الطبيعية – الاسم الذي أطلقه العلماء على دراسات العالم المادي – لما يقرب من ألف عام.

اعتقاد حركة الكواكب حول الشمس

في عام 1515 اقترح كاهن بولندي يدعى “نيكولاس كوبرنيكوس” أن الأرض هي عبارة عن كوكب مثلها مثل كوكب الزهرة أو زحل، وأن كافة الكواكب تدور حول الشمس، إلا أن نظريته لم يتم نشرها حتى عام 1543، وكان للنظرية عدد قليل من المؤيدين الذين واجهوا اتهامات عديدة بالهرطقة.

أخذ اعتقاد حركة الكواكب حول الشمس يزداد شيئًا فشيئًا إلى أن حدث أمرًا غيّر كل الموازين، حيث في عام 1610 قام غاليليو بتوجيه تلسكوبه للسماء، واستطاع لأول مرة في تاريخ البشرية أن يرى أقمارًا تدور حول المشترى، وفي تلك اللحظة تأكد أن اعتقاد أرسطو كان خاطئًا. لاحظ غاليليو كذلك مراحل كوكب الزهرة مما أثبت له أن الكوكب يدور حول الشمس، إلا أنه حوكم بتهمة الهرطقة وتم وضعه تحت الإقامة الجبرية مدى الحياة.

إثبات حركة الكواكب حول الشمس

في نفس الوقت تقريبًا نشر عالم الرياضيات الألماني يوهانس كيبلر مجموعة من القوانين التي قامت بوصف مدارات الكواكب حول الشمس، وهذه القوانين مازالت قيد الاستخدام حتى وقتنا هذا، وقد أتاحت المعادلات الرياضية مجموعة من التوقعات الدقيقة بشأن حركة الكواكب وكانت تسمى بنظرية كوبرنيكوس.

في عام 1687 قام إسحاق نيوتن بالإطاحة تمامًا برأي أرسطو القائل بأن الأرض هي مركز الكون، حيث بناءًا على قوانين كيبلر، أوضح نيوتن السبب وراء حركة الكواكب حول الشمس من خلال وضعه لقانون الجاذبية، وبذلك استطاع الوصول للحقيقة التي لا جدال فيها.

حركة الكواكب وقوانين الفيزياء

القوانين الفيزيائية التي تفسر حركة الكواكب

قوانين كيبلر لحركة الكواكب

شرح لنا كيبلر ثلاثة قوانين قامت بوصف حركة الكواكب وذلك اعتمادًا على الملاحظات التي توصّل إليها العالم الفلكي “تيخو براهي” بدون استعمال التلسكوب، حيث كان كيبلر يعمل مساعدًا له منذ بلوغه سن السابعة والعشرين، وقد كانت القوانين كالتالي:

– قانون المدارات: هذا القانون ينص على أن كافة الكواكب تقوم بالدوران داخل مدارات إهليجية، ويحدث هذا الدوران حول مركز ثابت، هذا المركز هو “الشمس”.

– قانون المساحات: هذا القانون ينص على أن الخط الذي يصل بين مركز أي كوكب من الكواكب إلى الشمس يقوم بقطع مساحات متساوية، وذلك في غضون أزمنة متساوية كذلك.

– قانون الزمن: هذا القانون ينص على أن مُربع الفترة المدارية لكل كوكب من الكواكب متناسب بشكل طردي مع مُكعب نصف المحور الأساسي الخاص بِمداره.

قوانين نيوتن في الحركة

رأى نيوتن أن الحركة بشكل عام كانت تتبع نفس المبادء الأساسية سواء كانت حركة كبيرة مثل حركة القمر حول الأرض، أو حركة بسيطة تتمثل في سقوط التفاحة من الشجرة على الأرض، ولهذا قام بنشر قوانين الحركة التالية:

– القانون الأول: نصّ هذا القانون على أن الجسم الساكن يظل ساكنًا في حالة عدم وجود قوة خارجية تؤثّر على حركته، أما الجسم المتحرك فإنه سيستمر في تحرُّكه بسرعة ثابته وخلال خط مستقيم طالما أنه لم تتواجد قوة خارجية تُغير من حالته الحركية.

– القانون الثاني: نصّ هذا القانون على أنه في حالة تأثُّر الجسم بقوة معينة، فإن تلك القوة تقوم بإكسابه تسارعًا يكون متناسبًا بشكل طردي مع تلك القوة وبشكل عكسي مع كتلته.

– القانون الثالث: نصّ هذا القانون على أن لكل فعل رد فعل متساوٍ معه في المقدار، ومضاد له في الإتِّجاه.

قانون الجذب العالم لنيوتن

قام نيوتن بتقديم قانون الجذب العام كدراسة حالة لقوانين الحركة التي قدّمها من قبل، وقال أن كل مادة تبذل جهدًا أطلق عليه اسم “الجاذبية” لكي تسحب كافة المواد الأخرى تجاه مركزها، وتكون تلك القوة معتمدة على كتلة الجسم نفسه.

تمتلك الشمس قوة جاذبية أكبر من الأرض، والتي بدورها تمتلك حاذبية أكثر من التفاحة، وتصبح تلك القوة أضعف مع المسافة، ولهذا فإن الأجسام البعيدة عن الشمس لن تتأثر بجاذبيتها.

فسرت قوانين الحركة والجاذبية لنيوتن حركة الأرض السنوية حول الشمس، حيث تقوم الشمس بجذب الأرض، فتجعلها تسير في منحنى بيضاوي حول الشمس بدلاً من أن تسير الأرض للأمام مباشرة في الكون.

نظرية النسبية لأينشتاين

ظل الإعتماد على قوانين نيوتن بالحركة والجاذبية قائمًا لحوالي 220 عامًا حتى ظهرت نظرية النسبية الخاصة لإينشتاين في عام 1905 التي كانت مختلفة عن افتراض نيوتن القائل بأن كل من الكتلة والوقت والمسافة ثابتين بغض النظر عن المكان الذي يتم قياسهم منه.

تنظر نظرية النسبية للزمان والمكان والكتلة على أنهم أشياء مائعة يتم تحديها من خلال إطار مرجعي للمراقب، فجميعنا في الكون على الأرض نتحرك في إطار مرجعي واحد، بينما رائد الفضاء الموجود في سفينة فضائية سريعة الحركة سيكون في إطار مرجعي مختلف.

يمكن القول بأنه في حالة وجود نفس الإطار المرجعي فإننا بذلك نستطيع تطبيق قوانين نيوتن، أما عند وجود إطارين مختلفين، فإنه يتم الإعتماد على نظرية النسبية الخاصة للحصول على وصف أدق للحركة.