گرانش، مجسمه‌ساز کیهان (Gravity & Cosmic Architecture)
گرانش ضعیف‌ترین نیروئه ولی شکل همه‌ی چیزهای بزرگ رو اون می‌سازه. ببین چرا مدار یه سقوطه که هیچ‌وقت به زمین نمی‌رسه، چرا جرم‌های بزرگ گردن، و چطور یه کیهان تقریباً یکدست تبدیل شد به ستاره و کهکشان.
قانون
همه‌چی همه‌چی رو می‌کشه
گرانش (همون جاذبه) یه کششه بین هر دوتا چیزی که جرم دارن. دوتا چیز قدرتش رو تعیین می‌کنه. جرم بیشتر، کشش بیشتر. و فاصله‌ی بیشتر، کشش خیلی کمتر: دو برابر دور بشی کشش می‌شه یک‌چهارم؛ سه برابر دور بشی می‌شه یک‌نهم. زود ضعیف می‌شه، ولی هیچ‌وقت صفر نمی‌شه.
تو زمین رو دقیقاً با همون قدرتی می‌کشی که زمین تو رو می‌کشه. فقط زمین اون‌قدر جرم داره که تقریباً هیچی حس نمی‌کنه، ولی تو حسابی حسش می‌کنی.
خودت رو امتحان کن
- یه کاوشگر تو فاصله‌ی ۱۰٬۰۰۰ کیلومتری از مرکز یه سیاره کششی برابر ۱۶ واحد حس می‌کنه.
- همون کاوشگر تو فاصله‌ی ۲۰٬۰۰۰ کیلومتری از مرکز کششی برابر ۴ واحد حس می‌کنه.
تو فاصله‌ی ۴۰٬۰۰۰ کیلومتری چه کششی حس می‌کنه؟
- ۲ واحد
- ۱ واحد
- ۸ واحد
- ۰ واحد
جواب رو ببین
۱ واحد
درسته. هر بار که فاصله دو برابر می‌شه کشش می‌شه یک‌چهارم: ۱۶، بعد ۴، بعد ۱. سریع کم می‌شه ولی از بین نمی‌ره.
توپ نیوتون: چطور بیفتی و هی به زمین نخوری
- از بالای یه کوه یه گلوله‌ی توپ افقی شلیک کن
مسیرش خم می‌شه و یه کم اون‌ورتر می‌خوره زمین. گرانش کشیدش پایین.
- تندتر شلیک کن
دورتر فرود میاد. در ضمن تا وقتی داره می‌افته، زمین زیر پاش هم داره خم می‌شه و ازش دور می‌شه، چون زمین گرده.
- سرعت جادویی رو پیدا کن
هر چیزی تو یه ثانیه حدود ۵ متر سقوط می‌کنه. سطح زمین هم به ازای هر ۸ کیلومتر که بری حدود ۵ متر خم می‌شه پایین. پس با سرعت حدود ۸ کیلومتر در ثانیه، گلوله ۵ متر میاد پایین و زمین هم ۵ متر باهاش میاد پایین.
- این یعنی مدار
گلوله تمام مدت داره سقوط می‌کنه ولی اصلاً به زمین نزدیک‌تر نمی‌شه؛ دور سیاره می‌چرخه. هیچی بالا نگهش نداشته. فقط به‌جای اینکه توی زمین بیفته، داره دور زمین می‌افته.
خودت رو امتحان کن
رؤیا یه ویدیو از فضانوردهایی می‌بینه که تو ایستگاه فضایی معلقن و می‌پرسه چرا نمی‌افتن. کدوم جواب درسته؟
- دارن همراه ایستگاه دور زمین سقوط می‌کنن
- اون‌قدر از زمین دورن که گرانشش بهشون نمی‌رسه
- از جو که بیرون بری دیگه گرانشی نیست
- فشار هوای داخل ایستگاه بالا نگهشون داشته
جواب رو ببین
دارن همراه ایستگاه دور زمین سقوط می‌کنن
آره. ایستگاه و همه‌ی آدم‌های توش با سرعت حدود ۲۸ هزار کیلومتر در ساعت تو سقوط آزاد دائمی‌ان و هر ۹۰ دقیقه یه دور دور زمین می‌زنن. وقتی تو و کف زیر پات با هم می‌افتین، کف دیگه به پات فشار نمیاره، و معلق بودن یعنی همین.
شعاع زمین = ۶٬۴۰۰ کیلومتر
ارتفاع ایستگاه فضایی = ۴۰۰ کیلومتر
فاصله از مرکز زمین = ۶٬۸۰۰ کیلومتر
چند برابر دورتر از سطح زمین؟ ۶٬۸۰۰ ÷ ۶٬۴۰۰ = ۱٫۰۶ برابر
کشش به اندازه‌ی مربع این عدد ضعیف می‌شه: ۱٫۰۶ × ۱٫۰۶ = ۱٫۱۳
گرانش تو ایستگاه = ۱ ÷ ۱٫۱۳ گرانش روی زمینحدود ۰٫۸۹، یعنی تقریباً ۹۰٪ چیزی که همین الان حس میکنیچیزی که مهمه فاصله‌ت از مرکز زمینه. ۴۰۰ کیلومتر بالا رفتن فقط ۶٪ از مرکز دورترت می‌کنه.
خودت رو امتحان کن
ایستگاه فضایی تو هر لحظه‌ای که تو مداره داره به سمت زمین سقوط می‌کنه، و گرانش تو اون ارتفاع هنوز حدود ۹۰٪ چیزیه که رو زمین حس می‌کنی.
جواب رو ببین
درست
درسته، و هر دو تیکه‌ش آدم رو غافلگیر می‌کنه. گرانش تو ۴۰۰ کیلومتر خیلی کم ضعیف می‌شه، پس ایستگاه تقریباً به همون شدتی کشیده می‌شه که تو می‌شی. بالا می‌مونه چون هم‌زمان با سرعت حدود ۸ کیلومتر در ثانیه به پهلو می‌ره، پس هی از کنار زمین رد می‌شه به‌جای اینکه بیفته توش. اون سرعت به‌پهلو رو ازش بگیر، صاف میاد پایین.
شکل
چرا چیزهای بزرگ گردن
گرانش همه‌ی تیکه‌های یه جرم رو می‌کشه سمت مرکزش. تو یه جرم کوچیک، محکمی سنگ راحت جلوی این کشش وایمیسه، پس هر شکلی می‌تونه داشته باشه. تو یه جرم به‌اندازه‌ی کافی بزرگ، وزن مواد از پس سنگ برمیاد: به مرور زمان جاهای بلند فرو می‌رن، جاهای گود پر می‌شن، و می‌رسی به تنها شکلی که توش همه‌چی تا جای ممکن به مرکز نزدیکه. اون شکل کره‌ست. این تغییر تو قطر چند صد کیلومتر اتفاق می‌افته.
بلندترین کوه زمین کمتر از ۹ کیلومتره، روی کره‌ای به قطر ۱۲٬۷۰۰ کیلومتر. مریخ گرانش ضعیف‌تری داره، حدود ۳۸٪ زمین، و یه آتشفشان بیشتر از ۲۰ کیلومتری رو تحمل می‌کنه.
کی برنده می‌شه: سنگ یا گرانش؟
جرم‌های کوچیک
سیارک‌ها، دنباله‌دارها و قمرهای کوچیک، تا چند ده کیلومتر. گرانششون ناچیزه؛ از روی بعضی‌هاشون می‌شه با یه پرش جدا شد. سنگ برنده‌ست، برای همین شکل سیب‌زمینی، بادوم‌زمینی و تل قلوه‌سنگ هستن.
جرم‌های بزرگ
قمرهای بزرگ، سیاره‌ها و ستاره‌ها. گرانش برنده‌ست و کره‌شون می‌کنه. چرخش باعث می‌شه دور استواشون یه کم برآمده بشه، ولی هیچ سیاره‌ای مکعب نیست و هیچ ستاره‌ای سیب‌زمینی.
خودت رو امتحان کن
گرانش می‌تونسته گردش کنه؟
- خورشید
- هسته‌ی یه دنباله‌دار به قطر ۵ کیلومتر
- ماه خودمون، با قطر حدود ۳٬۵۰۰ کیلومتر
- فوبوس، قمر مریخ، با قطر حدود ۲۲ کیلومتر
- سِرِس، یه سیاره‌ی کوتوله با قطر حدود ۹۴۰ کیلومتر
- یه سیارک به قطر ۳۰۰ متر
جواب رو ببین
گرد: خورشید, ماه خودمون، با قطر حدود ۳٬۵۰۰ کیلومتر, سِرِس، یه سیاره‌ی کوتوله با قطر حدود ۹۴۰ کیلومتر
بی‌قواره: هسته‌ی یه دنباله‌دار به قطر ۵ کیلومتر, فوبوس، قمر مریخ، با قطر حدود ۲۲ کیلومتر, یه سیارک به قطر ۳۰۰ متر
ساختار
پولدار پولدارتر می‌شه
کیهان جوون پر بود از گازی که تقریباً کاملاً یکدست پخش شده بود. تقریباً. یه تیکه که یه ذره از اطرافش چگال‌تر بود، یه ذره گرانش بیشتری داشت، پس یه کم گاز اضافه کشید سمت خودش. این چگال‌ترش کرد، پس محکم‌تر کشید. چند صد میلیون سال که بهش وقت بدی، همین چرخه‌ی فزاینده موج‌های خیلی ریز رو تبدیل کرد به ابرهای گاز، ستاره‌ها، کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی، با حفره‌های تقریباً خالی بینشون.
گرانش با اختلاف ضعیف‌ترین نیروی طبیعته: یه آهن‌ربای یخچال تو کشیدن یه گیره‌ی کاغذ از کل کره‌ی زمین می‌بره. ولی گرانش فقط می‌کشه، هیچ‌وقت خنثی نمی‌شه، و بُردش به هر فاصله‌ای می‌رسه. تو مقیاس‌های خیلی بزرگ هیچ رقیبی نداره.
گرانش و سه تا کارش
- هدایت می‌کنه. سرعت به پهلو به‌اضافه‌ی سقوط دائمی می‌شه مدار: قمر دور سیاره، سیاره دور ستاره، ستاره دور مرکز کهکشان.
- شکل می‌ده. از قطر چند صد کیلومتر به بالا، جرم‌ها رو فشار می‌ده تا کره بشن.
- جمع می‌کنه. اختلاف‌های ریز چگالی رو بزرگ می‌کنه تا گاز یکدست بشه ابر، و ابر بشه ستاره. درس بعد از همین‌جا شروع می‌شه.
خودت رو امتحان کن
دوتا تیکه گاز رو تو کیهان اولیه تصور کن. تیکه‌ی A یک درصد از اطرافش چگال‌تره. تیکه‌ی B دقیقاً میانگینه. گرانش تو چند صد میلیون سال بعد چی‌کار می‌کنه؟
- همه‌چی رو یکدست می‌کنه، پس A رقیق می‌شه و به میانگین می‌رسه
- هر دو با یه سرعت فرو می‌ریزن، چون گرانش روی هر گرم گاز یکسان اثر می‌کنه
- هیچی؛ اختلاف یک‌درصدی کوچیک‌تر از اونه که گرانش کاری باهاش بکنه
- A گاز نزدیکش رو می‌کشه و چگال‌تر می‌شه، و دور و برش خالی می‌شه
جواب رو ببین
A گاز نزدیکش رو می‌کشه و چگال‌تر می‌شه، و دور و برش خالی می‌شه
درسته. یه جلو افتادن کوچیک یعنی یه ذره کشش بیشتر، یعنی گاز بیشتر، یعنی کشش بیشتر. گرانش اختلاف‌ها رو بزرگ می‌کنه. کیهان تقریباً یکدست این‌جوری تیکه‌تیکه شد.
مرور درس
- گرانش با جرم بیشتر می‌شه و با فاصله ضعیف‌تر: دو برابر دورتر یعنی یک‌چهارم کشش. هیچ‌وقت هم صفر نمی‌شه.
- مدار یه سقوط دائمیه با سرعت به‌پهلوی کافی (نزدیک زمین حدود ۸ کیلومتر در ثانیه) که هی به زمین نخوری.
- فضانوردها معلقن چون دارن با ایستگاهشون سقوط می‌کنن، نه چون گرانش نیست.
- جرم‌های بزرگ‌تر از چند صد کیلومتر گردن چون گرانش خودشون از پس محکمی سنگ برمیاد.
- گرانش اختلاف‌های ریز چگالی رو بزرگ می‌کنه و گاز تقریباً یکدست رو تبدیل می‌کنه به ابر، ستاره و کهکشان.