تنجذب أي كتلة إلى الأرض بسبب جاذبية الأرض، وتعمل الجاذبية على تسريع جميع الأجسام الساقطة نحو الأرض بمعدل محدد، وبدون وجود أي قوى أخرى (مثل مقاومة الهواء)، فإن سرعة الجسم في السقوط الحر ستزداد كلما زاد سقوطه أو زاد ارتفاعه. ومع ذلك، فإن احتكاك الهواء أو مقاومة الهواء تمارس أيضًا قوة على الجسم (قطرة المطر على سبيل المثال) التي تعارض قوة الوزن الجاذبية، وعليه، فإن مقاومة الهواء ووزن الجسم الساقط (وزن قطرة المطر) يحددان السرعة النهائية لجسم معين.
وبشكل عام، تعتمد مقاومة الهواء على الجسم على عدة متغيرات، أولا، على شكل الكائن، ويحدد شكله معامل السحب الخاص بالجسم؛ فكلما كان الشكل أكثر ديناميكية هوائية، قلّ السحب. ثانيا، يعتمد ذلك على حجم الجسم، وعلى وجه التحديد منطقة المقطع العرضي المقدمة لتدفق الهواء (عمودي على اتجاه الحركة). ثالثا، يعتمد ذلك على سرعة الجسم، فعند السرعات المنخفضة تتناسب مقاومة الجسم طرديا مع السرعة، وعند السرعات الأعلى تتناسب مقاومة الجسم مع مربع سرعته. وتعتبر معظم الأجسام التي تسقط في الهواء تتحرك بسرعة أعلى، على الرغم من أن هذه السرعة قد لا تكون كبيرة مقارنة ببعض السرعات.
وتزداد السرعة التي يسقط بها الجسم حتى تتساوى القوة الصاعدة لمقاومة الهواء مع قوة الجاذبية لأسفل، وفي ذلك الوقت يصل الجسم إلى السرعة النهائية. وكلنا يعلم أن قطرات المطر تأتي بأحجام مختلفة، لذلك علينا أن نأخذ في الاعتبار الحجم المتوسط. لنفترض أن قطرة المطر المتوسطة يبلغ نصف قطرها حوالي 0.2 سم، وكتلتها حوالي 0.034 جرام، وعليه يكون معامل السحب يساوي 0.5 تقريبا، وعند أخذ جميع العوامل في الاعتبار، يتم حساب السرعة النهائية لقطرة المطر النموذجية بحوالي 9 متر/ث أو 36 كم/س. أما إن كانت قطرة المطر يبلغ نصف قطرها 0.15 سم، فستبلغ سرعتها النهائية حوالي 7م/ث أو 29 كم/س، وستكون لديها طاقة حركة حوالي 0.002 جول. وبشكل عام، اعتمادا على حجمها، تتساقط قطرات المطر بسرعة تتراوح بين 25 و45 كم/س بغضّ النظر عن ارتفاعها عندما تبدأ في الهبوط.
ولو لم يكن هناك مقاومة للهواء (قوى السحب) لصارت سرعة قطرة المطر حوالي 140 متر/ث ولاكتسبت طاقة حركية قدرها 33 جول أي طاقة سقوط تفاحة من ارتفاع 33م، وهي لا شك سوف تشج الرأس. وأرجو أن تتذكروا هنا الطير الأبابيل!
أما بالنسبة إلى حبات البردي، فإن السرعة النهائية الحدية (القصوى) يمكن أن تتراوح بين بضعة أمتار في الثانية وأكثر من 100 متر/ث، ويمكن لأكبر حبات البرد أن تصل سرعتها النهائية إلى 100 متر/ث، أو حوالي 405 كم/س، وفي المتوسط، تزن حبات البرد الواحدة ما بين 2.8 و5.6 جرامات، ومع ذلك، يمكن أن تنمو حبات البرد لتصبح أكبر من ذلك بكثير، حيث يصل بعضها إلى حجم الكرة اللينة، والتي يمكن أن تزن أكثر 0.45 كجم. فلو سقطت حبة برد بسرعة 20م/ث (السرعة الحدية أو القصوى) وكان وزنها 10 جرامات، فإنها ستحصل على طاقة حركية -إن كانت ساقطة من ارتفاع 2 كم- تساوي 2 جول أي طاقة سقوط تفاحة من ارتفاع 2 متر؛ فإن كانت حبة البرد صلبة فإن القوي على زجاج وجسم السيارة سيساوي 20 نيوتن (وزن 2 كجم تقريبا)، محدثة بذلك تلفيات في الزجاج وجسم السيارة.
أستاذ الفيزياء التطبيقية
بجامعة الخليج العربي
هل ترغب بالتعليق على الموضوع؟
لا تتردد في إعطاء تعليقك ومشاركة رأيك