مفهوم مركز الثقل
يمكن تعريف مركز الثقل (بالإنجليزية: Centre of gravity) باعتباره نقطة افتراضية تتواجد في مكان معين يستخدم لأغراض حسابية معينة. يتم حساب مركز الثقل بشكل خاص عند تصميم الهياكل الثابتة مثل المباني والجسور، أو عند محاولة التنبؤ بسلوك الأجسام المتحركة تحت تأثير الجاذبية الأرضية. وفي حالة وجود مجال جاذبية موحد، يتطابق مركز الثقل مع مركز كتلة الجسم، مما يسهل عملية حساب مركز الثقل.
أما بالنسبة للجاذبية الأرضية، فهي القوة التي تسحب المواد نحو مركز الأرض. بناءً على مفهوم الجاذبية، من المتوقع أن تسقط الأشياء التي تُطلق لأعلى، لكن تأثير التوازن على مركز الثقل للمادة قد يجعل الجاذبية غير قابلة للتنبؤ، حيث يعتمد ذلك بالضرورة على شكل المادة وتوزيع وزنها.
موقع مركز الثقل للكرة الأرضية
يمكن التعريف العلمي لمركز ثقل الأرض عبر طريقتين: إما كمركز كتلة الأرض الصلبة أو كمركز كتلة النظام الكامل للكرة الأرضية الذي يشمل الكتل الصلبة والصفائح الجليدية والمحيطات والغلاف الجوي. ومع ذلك، لا يزال موقع مركز ثقل الأرض غير محدد بدقة في كلا الحالتين، نظراً للتغيرات المستمرة نتيجة القوى التكتونية والمناخية.
مركز ثقل الكون
يوجد اعتقاد بأن الكون لا يمتلك مركز ثقل، ولا نقطة أصل محددة له. يمكن تفسير ذلك من خلال نظرية الانفجار الكبير التي حدثت قبل حوالي 13.7 مليار سنة، حيث بدأ الكون من حالة حجم صغيرة وتوسع بشكل متساوي من كل نقطة فيه. وما زالت هذه العملية مستمرة حتى الآن. ومن الجدير بالذكر أن العلماء غير متأكدين من حدود الكون، حيث صرح العالم ريدن (بالإنجليزية: Ryden) بأن “المسافة المحدودة التي قطعها الضوء منذ الانفجار الكبير تقدم فقط لمحة عن الكون، إذ قد يكون الكون بلا حدود.”
كيفية حساب موقع مركز الثقل لنظام معين
يمكن حساب موقع مركز الثقل لنظام يتكون من مجموعة من الجسيمات من خلال اتباع الخطوات التالية:
- تحديد محصلة الوزن للنظام بالكامل. في حالة وجود نظام يتكون من ن جسيمات في مكان معين، يمكن استبدال كتلة هذه الجسيمات بمحصلة الوزن (بالإنجليزية: resultant weight) ورمزها هو ج.
- تكون محصلة الوزن متساوية لمجموع أوزان الجسيمات في النظام، حيث إن م = Σو، حيث تمثل Σو مجموع الكتل في النظام وجم عبارة عن الكتلة المعادلة لكتل النظام.
ثم يتم حساب العزوم المتعلقة بكل محور كما يلي:
- جمع عزوم وزن جميع الجسيمات حول المحور س، ويسمى مجموعها بالعزم و س. ثم تكرار العملية حول المحورين ص وع.
- لتحديد بعد النظام عن المحور س مضروباً بالوزن الكلي م، يجب جمع قيم البعد الخاص بكل جسيم عن المحور س مضروباً بوزنه.
- تتم المعادلة نفسها للبعد عن المحور ص وع بنفس الطريقة.
- حساب موقع الثقل على المحور س يتم من خلال قسمة مجموع العزوم المتعلقة بالمحور س مضروبة بالبعد عن المحور س على مجموع العزوم الكلية.
- يتم حساب القيمة على المحورين ص وع بالطريقة نفسها المدرجة أعلاه.
