أساسيات الفيزياء وبعض قوانين الفيزياء للاطفال
ما زلنا مع تبسيط العلم للاطفال مع بعض علوم طبيعية وهو أحد فروع العلوم واليوم نقدم
أساسيات الفيزياء وبعض القوانين الفيزيائية والتعرف على بعض علماء الفيزياء.
الجاذبية النيوتونية:
في عام 1687 قام السير إسحاق نیوتن Isaac Newton بنشر أول نظرية رياضية للجاذبية.
ينص قانون الجذب العام لنيوتن على أن قوة الجذب بين جسمين تتناسب طرديا مع كتلتيهما،
وعكسية مع مربع المسافة بينهما، ويعبر عنها بالرمز G الذي يسمى (ثابت الجذب العام).
نظرية نيوتن كانت إنجازا قيما لعلوم القرن السابع عشر، فمعادلة واحدة تصف بدقة ظواهر تبدأ
من سقوط التفاح وحتى حركة الكواكب والأقمار البعيدة عنا۔
ولا يزال قانون نیوتن تقريبا ممتازا اليوم للقياسات التي تحتوي على حقول جاذبية ضعيفة، أما
الحقول الأقوى منها فيتم حسابها باستخدام نظرية آينشتاین Einstein النسبية العامة.
مبدأ التكافؤ:
في نظريات الجاذبية يقرر مبدأ التكافؤ أن الأجسام ذات الكتل المختلفة سوف تسقط بنفس
المعدل في حقل الجاذبية.
تبدأ القصة عندما أوضح ذلك أحد علماء القرن السابع عشر - وهو جاليليو Galileo بإسقاط کرات
ذات أوزان مختلفة من أعلى برج بيزا المائل.
وقام رواد فضاء على سطح القمر بتجربة ذلك بأنفسهم عن طريق إسقاط ريشة ومطرقة،
ووجدوا إنه عند غياب مقاومة الهواء، فإن كلا من الريشة والمطرقة يسقط على سطح القمر
في الوقت نفسه. وقد أكدت التجارب المعملية المضبوطة مبدأ التكافؤ بدقة تصل إلى جزء
واحد من التريليون.
وتتفق الجاذبية النيوتونية مع مبدأ التكافؤ اتفاقا سطحية، أما النسبية العامة لآينشتاين فقد
كانت أول نظرية جاذبية تقوم باحتواء المبدأ بالكامل.
قوانين كبلر:
عرف الفلكي والرياضي الألماني (جوهانز کپلر Johannes Kepler) باکتشافه قوانين تحكم حركة
الكواكب في المجموعة الشمسية.
وفي عام 1605 قدم کپلر قوانينه الثلاثة:
الأول: مدار کل کوکب هو عبارة عن قطع ناقص بیضاوي الشكل تقع الشمس في إحدى بؤره
(القطع الناقص له بؤرتان مناظرتان لمركز الدائرة).
الثاني: الخط الواصل بين الكوكب والشمس - وهو خط وهمي. يغطي مساحات متساوية في
الأوقات المتساوية.
الثالث: يتناسب مربع مدة الدورة المدارية للكوكب تناسب طرديا مع المحور الطويل لمداره
الإهليلجي مرفوعة إلى القوة الثالثة (الأس 3).
ومن المثير للدهشة أن كپلر قام باکتشافاته قبل صياغة نظرية الجاذبية النيوتونية (مع العلم
بأن الجاذبية هي القوة المسؤولة في الحالتين)، وكان هذا بسبب الوقت الذي قضاه کپلر في
العمل مع الفلكي الدنماركي تایكو براهي Tycho Brahe، وقد اشتهر براهي بملاحظاته
الدقيقة لمواقع الكواكب والتي استفاد منها كپلر في صياغة معادلاته.
درجة الحرارة والضغط:
الديناميكا الحرارية هي الفرع من الفيزياء الذي يعني بكيفية انتقال الطاقة ومعالجتها عبر
الحرارة، واستخدامها لعمل شيء مفيد، ويعد من الخصائص الأساسية درجة الحرارة: حيث تنتقل
الطاقة الحرارية من المنطقة ذات درجة الحرارة الأعلى إلى المنطقة ذات درجة الحرارة الأقل.
وطبقا لقانون إسحاق نيوتن المسمى قانون التبريد فإن معدل الانتقال يتناسب طرديا مع
الفرق بين درجتي حرارة المنطقتين؛ لذا فإن كوبا من القهوة الساخنة يفقد حرارته بشكل أسرع
من كوب القهوة الفاترة.
أما الضغط فهو متغير مهم آخر، عندما يتم تسخين غاز داخل وعاء فإن الغاز يمارس قوة على
جدران الوعاء، لكن القوة الكلية تعتمد على حجم الوعاء الضغط ، ببساطة هو القوة الكلية
مقسوم على مساحة جدران الوعاء، ويقاس الضغط بوحدة نويتنام المعروفة بوحدة باسكال،
نسبة إلى الرياضي الفرنسي (بليز باسكال Blaise Pascal) الذي عاش في القرن السابع عشر.
النظرية الحركية:
تعد النظرية الحركية طريقة لوصف الخصائص الحرارية للمواد - خصوصية الغازات على النطاق
الواسع من ناحية حركة الجسيمات المكونة منها، خصوصا الذرات أو الجزئيات.
تندفع الجسيمات داخل الغاز بشكل عشوائي حول بعضها البعض. وتقوم الفكرة الأساسية
للنظرية الحركية على مساواة الطاقة الحرارية للغاز مجموع الطاقات الحركية لكل هذه
الجسيمات المتذبذبة ، وهذا يعني إنه كلما ازدادت سخونة الغاز ازداد معدل سرعة حركة هذه
الجسيمات، وازدادت قوة ارتطامها ببعضها، ويجدران الوعاء الذي يحتوي الغاز؛ وبالتالي زيادة
درجة الحرارة والضغط.
وقد تطابقت التوقعات الحسابية للنظرية التركية مع التجارب العملية. وتقول النظرية الحركية أن
هنالك حدا أدنى من درجة الحرارة، حيث تصل الطاقة الحركية للجسيمات إلى الصفر، وهذه
الدرجة هي 2370 حيث لا يمكن لأي شيء أن يصبح أكثر برودة من ذلك
وقد تم وضع السياسات النظرية الجمركية بواسطة الرياضي السويسري دانييل بوتولي Daniel
Bernoulli) عام 1738، وتم تطويرها بعد ذلك في القرنين الثامن عشر والتاسع عشر، وكان
العلماء آنذاك على بداية الطريق لاكتشاف النظرية القوي من هذه - نظرية الميكانيكا المائية.
التمدد الحراري
بشكل عام، تجميل المواد عند تسخينها إلى أخذ حجم أكبر، وتعرف هذه الخاصية للمادة بالتمدد
الحراري. وتفسير النظرية الحركية هذه خاصية التمدد الحراري: عندما يتم تسخين المادة، فإن
التصادمات بين الجسيمات المتكونة لها تصبح أقوى وأعنف، منها لو كانت باردة، ومع
الارتدادات الكثيرة الحادثة بعد التصادمات يودان متوسط المسافة بين الجسيمات؛ مما يؤدي
إلى تجمده المادة.
ومن الممكن فهم التمدد وتوقعه بشكل أفضل رياضية، وهذا مفيد بشكل خاص للمهندسين
الذين يعملون على تصميم تركيبات تحتاج للعمل في نطاق من درجات الحرارة.
على سبيل المثال، الجسور تحتوي على وصلات توسعة منزلقة تجعلها تحتمل كلا من برودة
الشتاء وحرارة الصيف دون أن تنكسر أو تتجعد.