ماذا تعرف عن قوة الطرد المركزي وقوة الجذب المركزي؟  في هذا المقال تفسير للظاهرتين حيث بيّن آندرو غانس باحث فيزياء بجامعة واشنطن أنهما متساويتان في القوة ومتعاكستان في الاتجاه لارتباط كل منهما “بإطار مرجعي مختلف”.

يشعر الناس بقوة الطرد والجذب المركزي عند ركوب الأرجوحة الدوارة

قوة الطرد المركزية شائعة في حياتنا اليومية، ولكن هل هي حقاً ما نظنها؟

نشعر بها عندما نلتف بالسيارة عند زاوية، أو عندما تأخذ الطائرة منعطفاً، نراها في دوران غسالة الملابس، أو عند ركوب الاطفال دوارة الخيل. قد تستخدم يوماً ما في توفير جاذبية اصطناعية في مركبات ومحطات الفضاء.

ولكن غالبا ما يتم الخلط بين قوة الطرد المركزي ونظيرتها، قوة الجذب المركزي، لأن بينهما رابط وثيق، أو يمكن القول إنهما وجهان لعملة واحدة.

قوة الجذب المركزي تعرف بأنها ” القوة اللازمة لإبقاء جسم يتحرك في مسار منحني متجهاً إلى الداخل، نحو مركز الدوران”، بينما تعرف قوة الطرد المركزي بأنها ” القوة الظاهرية اللي يشعر بها الجسم المتحرك في مسار منحني والتي تتجه للخارج ابتعادا عن مركز الدوران” وفقا لقاموس ميريام وبستر.

لاحظ أن قوة الجذب المركزي هي قوة حقيقية، بينما قوة الطرد المركزي تعرف بأنها قوة ظاهرية بمعنى آخر، عند تدوير كتلة مربوطة بخيط، يسلط الخيط على الكتلة قوة جذب نحو المركز، بينما الظاهر هو أن الكتلة تسلط قوة طرد على الخيط.

يقول أندرو غانس باحث فيزياء بجامعة واشنطن “الفرق بين قوة الجذب المركزي وقوة الطرد المركزي له علاقة باختلاف “الأطر المرجعية”، أي اختلاف وجهات النظر التي تقيس بها أي شيء”، “إنّ قوتا الجذب والطرد المركزي هما في الواقع نفس القوة بالضبط، في اتجاهين متعاكسين لأن كل منهما مرتبطة بإطار مرجعي مختلف”.

إذا كنت تراقب جسم دوار عن بعد، سترى قوة جذب مركزي نحو الداخل مسلطة لتقييد الجسم في مسار دائري. ولكن إن كنت داخل النظام الدوار سوف تشعر بقوة طرد مركزي ظاهرية تدفعك بعيدا عن مركز الدوران على الرغم من أن القوة الفعلية المسلطة عليك هي قوة الجذب المركزي التي تجذبك نحو الداخل وتمنعك من الخروج عن النظام.

تطبّق القُوى قوانين نيوتن للحركة:

تلك القوة الظاهرية المتجهة للخارج تم وصفها بقوانين نيوتن للحركة، قانون نيوتن الأول ينص على أن “الجسم الساكن يبقى ساكنا، والجسم المتحرك سيبقى يتحرك ما لم تؤثر عليهما قوة خارجية”.

إذا تحرك جسم ضخم في الفضاء في خط مستقيم، قصوره الذاتي سيتسبب في استمرار حركته ما لم تؤثر عليه قوة خارجية تتسبب في زيادة أو تقليل سرعته أو تغيير اتجاهه. لجعل الجسم يتحرك في مسار دائري دون تغيير سرعته، يجب أن تُسلط عليه قوة جذب مركزي مستمرة من الزاوية الصحيحة للمسار. نصف قطر هذه الدائرة (r) يساوي الكتلة (m) مضروبة في مربع السرعة (v) على قوة الجذب (F)، أي r=mv^2/F القوة يمكن حسابها ببساطة بإعادة ترتيب المعادلة، F=mv^2/r.

ينص قانون نيوتن الثالث على أن “لكل فعل رد فعل مساوٍ له في المقدار ومعاكس له في الاتجاه”، تماماً كما تجعلك الجاذبية تسلط قوة على الأرض، يظهر أن الأرض بدورها تقوم بتسليط نفس القوة على أرجلك في اتجاه معاكس. عندما تجلس في سيارة تتسارع، يسلط عليك المقعد قوة للأمام، تماما كما تسلط عليه أنت قوة للخلف.

في حالة الجسم الدوار، تسحب قوة الجذب المركزي الكتلة للداخل لتتبع مسار منحني، بينما يظهر أن الكتلة تُدفع نحو الخارج بسبب قصورها الذاتي في كل من تلك الحالات، بينما يتم تسليط قوة واحدة فقط حقيقية، الأخرى مجرد قوة ظاهرية.

أمثلة على قوة الجذب المركزي:

هناك الكثير من التطبيقات التي يتم فيها استخدام قوة الجذب المركزي. أحد تلك الاستخدامات هو محاكاة تسارع الانطلاق في تدريب روّاد الفضاء. عند إطلاق صاروخ، يكون محملاً بالوقود والأكسجين حتى

أنه بالكاد يستطيع التحرك، ولكن عند صعوده، يتم حرق الوقود بمعدل هائل، بالتالي يفقد جزء من الكتلة باستمرار. ينص قانون نيوتن الثاني على أن القوة تساوي الكتلة مضروبة في العجلة، F=ma.

في أغلب الحالات الكتلة تظل ثابتة، لكن في حالة الصاروخ تتغير الكتلة بشكل كبير، بينما القوة، أو قوة دفع محرك الصاروخ تظل ثابتة تقريبا. هذا ما يجعل العجلة تتزايد لعدة مرات أكثر من الجاذبية الأرضية طوال مرحلة التعزيز. تستخدم وكالة ناسا أجهزة طرد مركزي كبيرة لتجهيز روّاد الفضاء لأقصى تسارع سيتعرضون له أثناء رحلتهم. في هذا التطبيق، تستشعر قوة الجذب المركزي عن طريق المقاعد التي تدفع الروّاد للداخل.

مثال آخر على تطبيقات قوة الجذب المركزي، هو جهاز الطرد المعملي، والذي يستخدم في تسريع ترسيب الجزيئات المعلقة في السوائل. أحد استخدامات هذا الجهاز هو عند تجهيز عينات الدم للاختبار. وفقا لموقع جامعة رايس للعلوم البيولوجية التجريبية، “البنية المميزة للدم تجعل من السهل فصل كرات الدم الحمراء عن البلازما وباقي المكونات عن طريق مراحل متعددة من الطرد المركزي”.

تحت تأثير قوة الجاذبية، الحركة الناتجة عن الحرارة تتسبب في حركة مستمرة للجزيئات، مما يمنع كرات الدم من الترسب في قاع أنبوبة عينة الدم. ولكن جهاز طرد مركزي يمكنه الوصول إلى تسارع يصل لـ 600 الى 2000 مرة أكثر من الجاذبية العادية. هذا يجبر كرات الدم الحمراء الثقيلة على الترسب في قاع الأنبوبة، وتجزئ باقي مكونات الدم المختلفة في طبقات مرتبة وفقًا لكثافتها.

المترجم: لجين عادل

تويتر: @Lj_0_0

المراجع: أشواق السالمي

تويتر: @Donshoqa

المصدر: https://www.livescience.com