חוק הכבידה, מסה ומשקל
הפיזיקאי אייזיק ניוטון ניסה לפצח את חידת התנועה של הירח סביב כדור הארץ.
יום אחד הוא ראה תפוח נושר מהעץ ובאותו רגע הבין כי הכוח שגורם לתפוח הנושר לנוע לכיוון כדור הארץ הוא גם הכוח שגורם לירח להסתובב סביב כדור הארץ.
הוא קרא לכוח זה “כוח הכבידה” – “כוח הגרוויטציה”.
בהמשך הוא העלה השערה נוספת שהוכחה ע”י מדענים מאוחר יותר כנכונה.
כוח הכבידה פועל בין כל שני גופים בטבע ובכלל ביקום, כל העצמים על פני כדור הארץ נמשכים זה לזה אולם כוחות אילו קטנים יחסית לכוח המשיכה של כדור הארץ ולכן אנו נשארים במקום.
השערתו של ניוטון הפכה לחוק שנקרא “חוק הכבידה העולמי של ניוטון” – בין כל שני גופים ביקום פועל כוח משיכה.
כוח זה נקרא “כוח הכבידה” או “כוח הגרוויטציה”.
תכונות חשובות של כוח הכבידה
כוח הכבידה פועל ממרחק – גופים מפעילים זה על זה כוח כבידה גם ללא מגע ביניהם.
כוח הכבידה הוא בעל טווח אינסופי – גם בין גופים רחוקים זה מזה פועל כוח כבידה.
כוח הכבידה תלוי במרחק – כוח הכבידה נחלש כאשר הגופים רחוקים זה מזה.
כוח הכבידה מכוון למרכז הגוף – גוף על פני כדור הארץ נמשך למרכז כדור הארץ.
כוח הכבידה תלוי במסת הפלנטה – ככל שמסת הפלנטה גדולה יותר היא יוצרת כוח כבידה גדול יותר.
המרחק ממרכז כוכב הלכת – ככל שנתרחק מהמרכז, עוצמת שדה הכבידה תקטן.
מהו משקל?
משקל גופנו הוא תוצאה של כוח הכבידה שמפעיל עלינו כדור הארץ.
ללא כוח הכבידה לא היה לנו משקל, ושום דבר לא היה נופל למטה באופן ספונטני.
המשקל הוא תוצאה של כוח ולכן נמדד ביחידות ניוטון.
משקל גופנו משתנה בתלות עוצמת כוח הכבידה הפועלת עליו, וזו הסיבה שאסטרונאוטים מדלגים בקלילות בירח שם הכבידה היא ⅙ מזו שבכדור הארץ.
מהי מסה?
מסה היא כמות החומר. גודל זה לא משתנה במעבר לגוף עם כבידה חזקה או חלשה.
כאשר מודדים בעזרת מאזני כפות את המסות של גופים שונים ולאחר מכן בודקים את המשקל שלהם מתברר שיש קשר ישר בין שני הגדלים.
ככל שהמסה של הגוף גדולה יותר כך גם משקלו גדל באותו יחס.
מסה ומשקל מאפשרים לנו להגדיר גודל חדש קבוע עבור כל גרם שמיים בשם קבוע הכבידה.
בניסוח מתמטי: g=W / m
W = m × g
W – כוח הכבידה שפועל על הגוף בניוטון.
m – מסת הגוף בק”ג.
g – קבוע כבידה (N / Kg)
כשמדידות של מסה ומשקל מתבצעות על פני כדור הארץ התברר שהיחס בין משקל הגוף לבין מסתו קבוע ושווה בערך ל- 10 N / Kg.
קבוע הכבידה על פני כדור הארץ שווה בערך ל- 10 N/Kg כפי שניתן לראות בגרף.
בטבלה ניתן לראות כי קבוע הכבידה של מאדים קטן פי 3 (בערך) מזה של כדור הארץ.
קבוע הכבידה על כוכב צדק גדול פי 2.5 מקבוע הכבידה על פני כדור הארץ.
נפילה חופשית
גוף הנופל באופן חופשי, מואץ לעבר כדור הארץ בשל כוח המשיכה בין הגוף לכדור הארץ. למעשה, כוח משיכה קיים בין כל שני גופים והוא תלוי בגודל המסה של כל אחד מהם.
כאשר הכוח היחיד שפועל על הגוף הוא כוח המשיכה של כדור הארץ (בהזנחת החיכוך) נשתמש במונח נפילה חופשית.
גוף כבד נמשך לכדור הארץ בכוח גדול יותר מגוף קל אולם בניסויים שונים התגלה כי תאוצת גופים בנפילה חופשית לכיוון כדור הארץ זהה.
מספר לבנים נמשכות לכדור הארץ בכוח גדול יותר מאשר לבנה יחידה.
עם זאת, בניסויים שנערכו, התגלה כי הסיבה לכך היא שתאוצת הגוף אינה תלויה רק בכוח הפועל על הגוף אלא גם במסתו. בעוד כוח גורם להאצה של הגוף, המסה מתנגדת להאצה (קשה יותר להזיז מסה גדולה יותר).
כך קורה שתאוצה של שתי לבנים בנפילה חופשית זהה לתאוצה של לבנה אחת בנפילה חופשית.
כוס מים בנפילה חופשית
המחשה נוספת של מהירות גופים בנפילה חופשית
ניקח כוס לשימוש חד פעמי עם חור בצד ונמלא אותה במים.
כל זמן שאנו אוטמים את החור בעזרת האצבע מים לא יצאו מהכוס, אך ברגע שנשחרר את האצבע מים יזרמו מבעד לחור.
נחזור עתה על הניסוי בדרך שונה, בזמן שחרור האצבע מהחור נשמוט את הכוס. הפעם הכוס תיפול, אך המים לא יזרמו מבעד לחור.
הסיבה לכך היא שהמים והכוס נופלים באופן זהה לכיוון כדור הארץ. לו היו זורמים מים דרך החור, הדבר היה מעיד כי המים נעים מהר יותר מן הכוס.
הניסוי הזה הוא הוכחה נוספת לכך שכל הגופים, במקרה הזה כוס ומים, נופלים במהירות זהה.
תנועת לווינים
לוויינים נעים בחלל בהשפעת הכבידה של הארץ.
בשלבים מסוימים של תנועתם תחנת הקרקע מפעילה מנועים רקטיים לצורך שינויים שונים במיקום הלווין.
בשלבים שבהם תנועת הלווין מושפעת רק על ידי הכבידה, כל הגופים בלווין ינועו באותו מסלול ובאותה מהירות.
טיפות נוזל שנראות מרחפות בתחנת החלל נמצאות בעצם בנפילה חופשית יחד עם תחנת החלל.
משקל וחוסר משקל או “חיים בחללית”
אסטרונאוט הנמצא בתחנת החלל, שהיא לווין שנמצא במסלול סביב כדור הארץ, שרוי במצב של חוסר משקל מדומה.
האסטרונאוט וכל הגופים הסובבים אותו נמצאים במצב של נפילה חופשית לכיוון כדור הארץ.
כדי להימצא במצב של חוסר משקל אמיתי האסטרונאוט חייב להיות הרחק בחלל רחוק מכל גוף שיכול להפעיל עליו כוחות משיכה.
החיים במצב של חוסר כבידה יראו לגמרי אחרת.
בתמונות הבאות מוצגים חלק מהקשיים של חיים בהעדר כבידה.
סרטונים נוספים בנושא נפילה חופשית
- Home
- /
- יחידות בפיזיקה
- /
- חוקי ניוטון
- /
- חוק הכבידה, מסה ומשקל