כוח המשיכה הסביר

במשך שנים אנשים ידעו שכאשר חפץ נזרק ישר למעלה, הוא נופל בחזרה לכדור הארץ. אנשים הבחינו בתופעה זו ויכלו לחזות את השפעת הכוח הזה, אך לא היה להם מושג כיצד הוא עובד.

מאז ימי קדם, היו תיאוריות רבות וניסיונות להסביר את הכוח המסתורי הזה שנקרא "כוח המשיכה". בימים הראשונים, פילוסופים חשבו שנפילת עצמים לכיוון כדור הארץ היא חלק מתחום האלים ועקבה אחר תנועה טבעית. למשל, האוויר היה שייך לשמיים, נע כלפי מעלה, בעוד סלעים שייכים לכדור הארץ, נופלים בחזרה לכדור הארץ.

"קחו רגע לחוות את השפעות כוח המשיכה. הרם את הזרוע שלך ולהרגיש איך אתה נאלץ להפיל אותו שוב או להשתמש בכדור או תפוח להקיא

ישר למעלה"

במאה הרביעית, אריסטו היה הראשון לנסות תיאור כמותי של כוח הכבידה. הוא כתב כי חפץ נפל במהירות מתמדת, שהושג זמן קצר לאחר ששוחרר, ודברים כבדים יותר נפלו מהר יותר ביחס למסה שלהם. למרות שהרעיון הזה היה שגוי, הוא היה תקוע בראש עד המאה ה -16.

במאה ה -17, אסטרונום איטלקי, גלילאו גליליי, סיפק את ההסבר המדעי הראשון של כוח הכבידה על ידי ביצוע ניסויים ואתגר את רעיון הכבידה שהוצע על ידי אריסטו.

באמצעות הניסויים שלו, גלילאו הבין שגוף נופל קלט מהירות בקצב קבוע – במילים אחרות, יש לו תאוצה מתמדת. הוא גם עשה את התצפית המשמעותית שאם ניתן להזניח את התנגדות האוויר, כל הגופים נופלים באותה האצה, גופים במשקלים שונים נופלים יחד מגיעים לקרקע בו זמנית.

גלילאו הוא אמר שהפיל כדורים באותה צורה. ובכל זאת, משקל שונה ממגדל פיזה הנטוי כדי להוכיח שהאובייקטים נפלו באותה האצה, והוכיחו את התחזית שלו נכון וכך להפריך את תורת הכבידה של אריסטו (אשר קובעת כי אובייקטים נופלים במהירות פרופורציונלית למסה שלהם).

זוהי סימולציה 3D, אנא השתמש בעכבר או Keybaord כדי לנוע ולשחק עם סימולציה זו.

לחץ כאן כדי להציג בדף מלא

"בתום טיול הירח האחרון של אפולו 15, המפקד דייויד סקוט (בתמונה למטה) ביצע הדגמה חיה למצלמות הטלוויזיה. הוא החזיק פטיש גיאולוגי ונוצה והפיל אותם באותו הזמן. מכיוון שהם היו למעשה בוואקום, לא הייתה התנגדות אווירית, והנוצה נפלה באותו קצב כמו הפטיש, כפי שגלילאו סיכם מאות שנים קודם לכן – כל האובייקטים ששוחררו יחד נופלים באותו קצב ללא קשר למסה. בקר המשימה ג'ו אלן תיאר את ההפגנה ב"דו"ח המדע הראשוני של אפולו 15":"

https://n

ssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/lunar/apollo_15_feather_drop.html

גלילאו גם ביצע ניסוי נוסף כדי להוכיח שכוח המשיכה מאיץ עצמים בקצב קבוע עם נפל. עם זאת, הייתה בעיה אחת בבדיקת השערה זו. גלילאו לא יכול היה להתבונן בתנועה החופשית של האובייקט אנכית. באותו זמן, הטכנולוגיה לא יכלה לרשום מהירויות גבוהות כאלה (חוסר שעון או טיימר שיכול למדוד מהירות גבוהה). כתוצאה מכך, גלילאו ניסה להאט את התנועה על ידי החלפת החפץ הנופל בכדור מתגלגל במורד רמפה נוטה. מכיוון שנפילה חופשית שקולה לרמפה אנכית לחלוטין, הוא הניח שכדור המתגלגל במורד רמפה נוטה יזרז באותו אופן כמו כדור נופל.

באמצעות ניסוי זה, גלילאו הגיע למסקנה שאם אובייקט משתחרר ממנוחה וצוזל מהירות בקצב קבוע, אז המרחק הכולל שנסע על ידי האובייקט הוא פרופורציונלי לזמן בריבוע הדרוש לנסיעה זו. לדוגמה, אם אובייקט ששוחרר מהמנוחה נוסע למשך שתי שניות, הוא יעבור 2 x 2 או 4 פעמים ככל שיהיה אם הוא נסע לשנייה אחת בלבד לאחר ששוחרר ממנוחה.

הסרטון הבא משחזר את הניסוי הנ"ל שבוצע על ידי גלילאו.

אני מאמין שיש לנו הבנה טובה יותר של איך דברים נעים תחת השפעת כוח המשיכה כאן על כדור הארץ. אך כיצד אנו מרחיבים הבנה זו לתנועת עצמים אחרים מחוץ לכדור הארץ? לדוגמה, כיצד הירח סובב סביב כדור הארץ? למה כדור הארץ מקיף את השמש? איך הכוכבים נעים ברחבי היקום?

במאה ה-17, סר אייזק ניוטון, מתמטיקאי ופיזיקאי נתן תיאור חדש של כוח המשיכה. הוא האמין שאנחנו חיים בעולם שבו אנחנו יכולים לחזות את התנועה של כל דבר. עבודתו של ניוטון על כוח המשיכה היא אחת מנקודות המפנה הקריטיות בפיזיקה.

בכל פעם שאנחנו מדברים על ניוטון, הדבר הראשון שעולה על דעתנו הוא אפל שנפלה על ראשו של ניוטון. הסיפור הזה לא לגמרי נכון.
יום אחד ניוטון ישב וחשב בגינה שלו כשהבחין בתפוח שנפל בקרבת מקום. זה לא היה רק שהתפוח נפל גרם לו להתרגש, אלא שהוא ניסה ללכת למרכז כדור הארץ (ישר למטה) ולא לשום כיוון אחר. זה היה רגע חיוני שניוטון הבין שכדור הארץ משך אליו את התפוח. לאחר מכן הוא הבין שכל חפץ ביקום מושך כל חפץ אחר בפרופורציה למסה שלו. ככל שהמאסה של האובייקט גדולה יותר, המשיכה הכבידתית שלו תהיה גדולה בהרבה. הוא הרחיב את הרעיון הזה לכדור הארץ, מושך את הירח לכיוון מרכזו. לקח כמעט 20 שנה מהיום לניוטון לפרסם את עבודתו על כוח המשיכה. בעוד שתפוח אולי לא פגע בראשו של סר אייזק ניוטון כפי שהמיתוס מרמז, נפילתו של אחד מהם עוררה את ניוטון לאחת התגליות הגדולות.

חוק הכבידה האוניברסלי של ניוטון קובע כי כוח המשיכה (F) בין שני אובייקטים שווה לתוצר ההמונים שלהם (m1 * m2), מחולק בריבוע המרחק ביניהם (r). נוסחה זו גם מציינת כי המרחק בין האובייקט גדל; כוח הכבידה נחלש. (זכור את הריבוע ההופכי של המרחק בין האובייקטים)

ייתכן שתתעורר שאלה מדוע הירח לא נופל היישר לכדור הארץ כפי שעשה התפוח.

תארו לעצמכם ירי כדור תותח אופקית מהחלק העליון של הר כמו הר האוורסט על פני כדור הארץ. הכדור היה עוקב אחר מסלול מעוקל כשהוא נע קדימה ונמשך, בכוח המשיכה, לכיוון הקרקע באותו הזמן. אש כדור התותח עם יותר אנרגיה, וזה ינחת רחוק יותר מההר, אבל זה עדיין היה בעקבות מסלול מעוקל בכך.

ניוטון הציע שאם תירה בכדור התותח עם מספיק אנרגיה, הוא יוכל לעוף מסביב לכדור הארץ ולעולם לא ינחת כי כדור הארץ יתעקל מתחת לכדור באותו קצב שבו הכדור נפל. במילים אחרות, הכדור יהיה עכשיו במסלול סביב כדור הארץ.
וזה מה שקורה עם הירח – הוא בנפילה חופשית סביב כדור הארץ, אבל הוא נע מספיק מהר כדי שכדור הארץ לעולם לא "יתפוס" אותו. אותו עיקרון משמש גם היום לשיגור לוויינים במסלול סביב כדור הארץ.

זוהי סימולציה 3D, אנא השתמש בעכבר או Keybaord כדי לנוע ולשחק עם סימולציה זו.

לחץ כאן כדי להציג בדף מלא

מודל הכבידה של ניוטון עבד די טוב לחיזוי התנועה של רוב כוכבי הלכת כמו גם של עצמים על פני כדור הארץ. למעשה, חוק הכבידה של ניוטון שימש לגילוי כוכב הלכת נפטון. אבל יש בעיה אחת כי חוק הכבידה של ניוטאון לא יכול לחזות ולא להסביר את מסלולו של מרקורי סביב השמש כראוי. מסלולו של כוכב הלכת נע מהר יותר מהמודל הנגזר באמצעות חוק הכבידה של ניוטון.

בעיה נוספת בתיאוריה של ניוטון מתארת את כוח המשיכה ככוח משיכה מיידי בין שני עצמים מסיביים. אם חפץ אחד התרחק, האובייקט השני יודע על התנועה מיד עקב השינוי בכבידה, ללא קשר למרחק שלהם.
לדוגמה, כדור הארץ מקיף את השמש, והמרחק ביניהם הוא 91 מיליון מיילים. בואו נניח שפתאום השמש נעלמת. על פי חוק הכבידה של ניוטון, כדור הארץ ירגיש מיד את ההשפעה של היעלמות השמש ויאבד את מסלולו, ויעבור בקו ישר. התנהגות זו נראית לא מציאותית ולא מוסברת היטב באמצעות חוק הכבידה של ניוטון.

חשוב מכך, חוק הכבידה של ניוטון מתאר את השפעות כוח המשיכה, אך לא הסביר כיצד כוח המשיכה עבד. ניוטון היה מודע לכך היטב ואמר:

ון

במשך כמעט 200 שנה לאחר שהוצעה עבודתו של נטוון על כוח המשיכה, לא היו פריצות דרך להסביר את ההפרה שזוהתה בחוק הכבידה של ניוטון. בשנת 1915 אלברט איינשטיין, פיזיקאי יליד גרמניה מגדיר מחדש את כוח המשיכה על ידי הצעת תורת היחסות הכללית. לדברי איינשטיין, כוח המשיכה אינו כוח כפי שניוטון תיאר; במקום זאת, עיוות במרחב-זמן שנוצר על-ידי עצמים מסיביים. עיוות זה מורגש ככבידה.

אני יודע שזה מבלבל. למה כוח המשיכה הוא לא כוח? מהו מרחב-זמן ומה משמעות העיוות?

בואו ננסה להבין את המרחב-זמן. הרווח מוגדר בדרך כלל בשלושה ממדים אורך (ממד 1), רוחב (ממד 2) וגובה (ממד 3). כל העבודה שנעשתה על ידי ניוטון התייחסה רק לשלושת ממדי החלל, אבל איינשטיין הגה רעיון חדש של המימד הרביעי שנקרא זמן.

למה זמן? בוא נניח שאתה מזמין את החבר שלך להיפגש לקפה. מה קורה אם אתה מזכיר בדיוק את המקום להיפגש מבלי להזכיר את הזמן או הזמן להיפגש מבלי להזכיר את המקום. בשני התרחישים, לא תצליח להיפגש עם חברך מכיוון שאין מידע מספיק אלא אם כן אתה אומר גם את המקום וגם את הזמן להיפגש. לפי איינשטיין, מרחב ללא זמן הוא חסר משמעות. אתה לא יכול לתאר תנועה ללא זמן, למשל, מטר לשנייה. איינשטיין מגדיר את המרחב והזמן כבד שזור זה בזה. (ראה להלן סקיצה)

לדברי איינשטיין, כאשר אובייקט גדול ממוקם בבד מרחב-זמן; האובייקט מעוות את הבד ויוצר עקמומיות פרופורציונלית למסה שלו. כל חפץ אחר שנכנס לפעום המרחב-זמן של עצם מסיבי יחווה את תופעת הכבידה. לדוגמה, השמש מעוותת את המרחב-זמן סביבו ויוצרת עקמומיות, וכל כוכבי הלכת האחרים מסתובבים סביב השמש לא בגלל כל כוח אחר אלא רק בגלל העקמומיות סביבו.

לדברי איינשטיין, עצמים הנעים סביב העקמומיות עדיין נעים לאורך הקו הישר ביותר האפשרי, אך בשל עיוות במרחב-זמן, הקו הישר ביותר האפשרי נמצא כעת לאורך נתיב כדורי.
לדוגמה, לדמיין כדור מתגלגל על פני טרמפולינה זה פשוט בצע את העקומה. מנקודת המבט של הכדור, הוא תמיד נסע בקו ישר; זה מעוות של מרחב-זמן שגורם להטייתו.

כמו כן, קרני אור, כאשר חוצים עצמים מסיביים כמו השמש, מתכופפים בגלל עקמומיות המרחב-זמן. תופעה זו נקראת עדשות כבידה. התנהגות זו הוכחה כנכונה במהלך ליקוי החמה, על ידי מדידת כיפוף האור מהכוכבים סביב השמש.

אז, לפי איינשטיין, כוח המשיכה הוא לא כוח. זו עקמומיות במרחב-זמן.

אני מקווה עד עכשיו, יש לך הבנה טובה של מה הוא כוח המשיכה.