برخورد شهاب سنگ به زمین — از علت تا نتیجه

شاید بارها شنیده باشید که در تاریخی نزدیک، شهاب سنگی به زمین برخورد خواهد کرد و زندگی بر روی زمین دچار تغییرات زیادی خواهد شد. هر بار با شنیدن این خبرها دچار استرس می‌شوید و با خود فکر می‌کنید «این‌ بار به طور حتم برخوردی صورت می‌گیرد و زندگی بر روی این کره خاکی غیر ممکن می‌شود». در این مطلب در مورد برخورد شهاب سنگ به زمین و اثرات آن صحبت می‌کنیم. در ابتدا، در مورد اتفاق‌های پس از برخورد صحبت خواهیم کرد. سپس، تاریخچه برخورد شهاب سنگ‌های مختلف در نقاط مختلف زمین را بیان می‌کنیم.

برخورد شهاب سنگ به زمین

برخورد شهاب سنگ به زمین هنگامی رخ می‌دهد که جسمی یخی، سنگی و فلزی (به طور معمول فلز آهن) که به دور خورشید می‌چرخد، پس از عبور از جو زمین به سطح آن برخورد کند. برخوردهای بزرگ‌تر چاله‌هایی با دهانه بزرگ بر روی سطح زمین ایجاد می‌کنند. هر چه برخورد انجام شده بزرگ‌تر باشد، تغییرات جهانی زیادی در جو رخ می‌دهند.

شهاب سنگ ها اطلاعات و سرنخ‌های زیادی در مورد ترکیب، سن و تاریخچه منظومه شمسی به ستاره‌شناسان می‌دهند. تعداد زیادی از شهاب سنگ ها کوچک و از نظر اندازه قابل مقایسه با سنگ‌ریزه‌های روی زمین هستند. بنابراین، اثر بسیار کمی بر روی جو زمین دارند.

برخورد شهاب‌ سنگ‌ های بزرگ، بسیار نادر است، اما فرضیه‌ای بسیار قوی در مورد برخورد شهاب‌ سنگ بسیار بزرگی به زمین وجود دارد. بر طبق این فرضیه، در حدود ۶۶ میلیون سال قبل در نقطه‌ای بر روی زمین به نام «یوکاتان پنینسولا» (Yucatan Peninsula) در مکزیک، شهاب سنگ بسیار بزرگی برخورد کرد. این برخورد منجر به نابودی و انقراض بسیاری از گونه‌های گیاهی و جانوری مانند دایناسورها (به‌ جز اجداد پرندگان زنده) شد.

قبل از آن‌که در مورد اثرهای برخورد شهاب سنگ بر روی سیستم آب و هوایی و جو زمین بیشتر صحبت کنیم، کمی در مورد برخورد آن به سطح زمین و گودالی که ممکن است در اثر این برخورد ایجاد شود به زبان ساده و سپس کمی پیشرفته‌تر، صحبت خواهیم کرد.

فیلم آموزش علوم تجربی پایه ششم (رایگان) در فرادرس

کلیک کنید

فیزیک برخورد شهاب سنگ به زمین

شهاب‌ سنگ ها اندازه‌ها و شکل‌های مختلفی دارند. تعدادی از آن‌ها بزرگ‌تر و در نتیجه سنگین‌تر هستند. شکل و اندازه گودال‌هایی که پس از برخورد شهاب سنگ ها به سطح زمین ایجاد می‌شوند، رابطه مستقیمی با شکل و اندازه شهاب سنگ ها دارد. در ابتدا، برای درک بهتر این موضوع، آزمایش بسیار ساده‌ای را انجام می‌دهیم.

به تصویر زیر دقت کنید. در حدود ۱۵ هزار سال قبل، شهاب سنگی به صحرا آریزونای شمالی برخورد کرد و گودال بسیار بزرگی را بر روی سطح زمین ایجاد کرد.

هنگامی که شهاب سنگی به سطح زمین برخورد می‌کند، سبب ایجاد حفره یا گودال خواهد شد. به طور حتم، در دوران کودکی با تیله‌های رنگی و زیبا با اندازه‌های مختلف بازی کرده‌اید. فرض کنید تیله را محکم بر روی سرامیک‌های کف خانه پرتاب می‌کنید، چه اتفاقی می‌افتد؟ دو حالت ممکن است رخ دهد:

1. تیله بدون آسیب دیدن و آسیب رساندن به سمت بالا پرتاب شود.
2. تیله پس از آسیب رساندن به سرامیک‌های سطح و کمی آسیب دیدن، به سمت بالا پرتاب خواهد شد.

آیا می‌دانید دو حالت فوق چه تفاوت‌هایی با یکدیگر دارند؟ در حالت نخست تیله تا ارتفاع بیشتری بالا می‌آید. به این نکته توجه داشته باشید که سطح سرامیک سفت است، بنابراین تیله پس از برخورد به آن به سمت بالا برمی‌گردد. اگر تیله را بر روی سطح نرمی مانند ساحل دریا پرتاب کنیم چه اتفاقی می‌افتد؟ در این حالت، تیله چند سانتی‌متر در شن‌های ساحل فرو می‌رود و سپس متوقف می‌شود. پس از برداشتن تیله از داخل شن‌های ساحل، خواهیم دید که حفره کوچکی در اثر فرو رفتن تیله ایجاد شده است.

اکنون به آزمایش ساده زیر توجه کنید. برای انجام این آزمایش به وسیله‌های زیر نیاز داریم:

• توپ با اندازه و جرم‌های مختلف (مانند توپ گلف یا تنیس و توپ پینگ‌پنگ‌)
• ظرف با اندازه بزرگ
• آرد
• سیستم پرتاب‌کننده توپ

تصویر زیر سیستم پرتاب‌کننده توپ را نشان می‌دهد.

ظرف موردنظر را بر روی میز قرار می‌دهیم و مقداری آرد، کف آن می‌ریزیم تا جایی که لایه‌ای به اندازه ۵ سانتی‌متر تشکیل شود. سپس، سطح آرد را با لایه نازکی از پودر کاکائو می‌پوشانیم. اکنون اثر برخورد توپ‌های مختلف بر روی سطح ساخته شده را بررسی می‌کنیم. کدام‌یک از توپ‌ها اثر بیشتری ایجاد خواهد کرد؟ کدام‌یک از آن‌ها سنگین‌تر است؟ در ابتدا، برخورد توپ پینگ‌پنگ را با توپ گلف بررسی می‌کنیم. حجم و اندازه این دو توپ با یکدیگر یکسان است، اما جرم و وزن آن‌ها با یکدیگر فرق دارد. این دو توپ از ارتفاع یکسانی بالای ظرف رها می‌شوند. پس از برخورد آن‌ها به لایه آرد و کاکائو، توپ گلف تا ارتفاع بسیار کمی به سمت بالا برمی‌گردد و پس از تکرار چندباره این کار، متوقف می‌شود.

همان گونه که در تصویر فوق دیده می‌شود، دو توپ پس از برخورد به داخل ظرف، مقدار زیادی از محتویات داخل ظرف را (آرد و کاکائو) به بیرون و اطراف پرتاب می‌کنند. در نتیجه، نخستین نکته‌ای که در ذهن جرقه خواهد زد آن است که پس از برخورد شهاب سنگ به زمین، مقدار زیادی گرد و غبار ایجاد می‌شود. در تصویر زیر، دو توپ پس از برخورد نشان داده شده‌اند.

کدام یک از این توپ‌ها حفره عمیق‌تری را ایجاد کرده‌اند؟ آیا عمق حفره‌های ایجاد شده به وزن توپ‌ها وابسته است؟

در حالت اول، توپ‌ها از حالت سکون و از ارتفاع یکسانی رها شدند، در نتیجه با سرعت یکسانی به سطح برخورد کردند. اما برخورد با سرعت‌های مختلف چگونه است؟ برای این کار از سیستم پرتاب‌کننده توپ استفاده می‌کنیم. با استفاده از این پرتاب‌کننده که تفنگی برای تنظیم سرعت اولیه دارد، گلوله‌های کوچک با سرعت‌ اولیه‌های متفاوتی پرتاب خواهند شد. هر چه ضامن تفنگ عقب‌تر باشد، سرعت اولیه توپ بیشتر خواهد بود. در ادامه، به‌جای استفاده از توپ‌ تنیس یا گلف، از گلوله‌های فولادی استفاده شده است.

ظرف حاوی آرد و پودر کاکائو را بر روی زمین قرار می‌دهیم و با استفاده از دستگاه پرتاب‌کننده، گلوله‌ها را با سرعت‌های اولیه متفاوتی پرتاب می‌کنیم. سرعت گلوله ۱ را بر روی $$v_1$$ و سرعت گلوله ۲ را بر روی $$v_2$$ تنظیم می‌کنیم. سرعت گلوله ۲ بیشتر از سرعت گلوله ۱ است. پس از پرتاب گلوله ۱، حفره عمیقی در ظرف ایجاد می‌شود.

همان گونه که در تصویر فوق مشاهده می‌کنید، حفره‌ای عمیق ایجاد شده است. همچنین، برخلاف حالت قبل که پس از پرتابِ توپ‌ها، مقدار زیادی آرد به اطراف پخش شد، گلوله ۱ بدون پخش آرد به اطراف، حفره را ایجاد کرده است. در ادامه، تفنگ تنظیم سرعت سیستم پرتاب‌کننده را در بالاترین سرعت قرار می‌دهیم و گلوله را پرتاب می‌کنیم. چه اتفاقی می‌افتد؟ سرعت گلوله به‌ قدری زیاد است که منجر به شکستن کف ظرف شیشه‌ای می‌شود.

در تمام مرحله‌های فوق، توپ‌ها یا گلوله‌ها به صورت عمودی با سطح آرد برخورد کردند. آیا شهاب‌ سنگ ها همواره به صورت عمودی به زمین برخورد می‌کنند؟ خیر. برای داشتن درک بهتری از چگونگی برخورد شهاب سنگ به زمین، نحوه برخورد گلوله‌ها به سطح آرد را تغییر می‌دهیم. در ابتدا، دستگاه تنظیم‌کننده سرعت را در کمترین سرعت ممکن قرار می‌دهیم و گلوله را با زاویه مشخصی پرتاب می‌کنیم.

همان گونه که در تصویر فوق دیده می‌شود، عمق حفره ایجاد شده کم‌تر و دهانه آن کمی بزرگ‌تر است. همچنین، مقدار کمی آرد به اطراف پخش شده است. اکنون، سرعت را در بالاترین مقدار قرار می‌دهیم و بدون تغییر دادن زاویه، گلوله را پرتاب می‌کنیم. حفره‌های ایجاد شده چه تفاوتی با یکدیگر دارند؟ به تصویر زیر دقت کنید. گلوله‌ای که با سرعت بیشتری به سطح آرد برخورد کرده، حفره‌ای عمیق‌تر با دهانه بزرگ‌تری ساخته است. اما، کف ظرف شیشه‌ای را پس از برخورد به آن می‌شکند.

اما سوال مهمی که ممکن است مطرح شود آن است که چرا شهاب سنگ ها پس از برخورد به سطح زمین، گودال‌های عمیق با شکل‌های گوناگونی ایجاد می‌کنند؟ کلمه کلیدی در ‌این‌جا برخورد است. در فیزیک برخورد به چه معنا است و اگر دو جسم با یکدیگر برخورد کنند چه اتفاقی خواهد افتاد؟ برای داشتن درک بهتری از مفهوم برخورد و نزدیک بودن آن با برخورد شهاب سنگ به زمین، برخورد گلوله‌ای فلزی بر روی شن را در نظر می‌گیریم.

مثال افتادن گلوله‌ای فلزی بر روی شن

این مثال بسیار شبیه افتادن گلوله فلزی در ظرف محتوی آرد است. همان گونه که دیدیم، گلوله پس از افتادن بر روی لایه آرد تا ارتفاع مشخصی در آن فرو می‌رود و سپس متوقف می‌شود. اکنون این مثال را با جزییات بیشتری حل می‌کنیم.

گلوله فلزی با جرم ۴/۱ گرم از ارتفاعی برابر ۲ متر بر روی سطح شنی پرتاب می‌شود. گلوله تا عمق مشخصی برابر ۲۷ میلی‌متر در شن‌ فرو می‌رود و متوقف می‌شود. مقدار نیروی متوسطی که شن بر گلوله وارد می‌کند را به‌دست آورید.

پاسخ: قبل از حل مثال، توجه به چند نکته و رابطه مهم است. گلوله از ارتفاع مشخصی رها شده است. رها شدن به معنای سرعت اولیه صفر است. در نتیجه، انرژی جنبشی اولیه گلوله برابر صفر خواهد بود. در مورد انرژی پتانسیل اولیه چه می‌توان گفت؟ گلوله از ارتفاع ۲ متری سطح شنی رها شده است، بنابراین، انرژی پتانسیل اولیه آن برابر mgh است. مسیر حرکت گلوله را به دو قسمت تقسیم می‌کنیم.

1. لحظه رها شدن تا برخورد به سطح شنی
2. لحظه برخورد به سطح شنی تا فرو رفتن در آن و توقف کامل

در قسمت اول مثال، از نیروهای اتلافی مانند نیروی مقاومت هوا چشم‌پوشی می‌کنیم. بنابراین، با استفاده از قانون پایستگی انرژی، سرعت برخورد گلوله به سطح شنی را به‌دست می‌آوریم:

انرژی جنبشی اولیه + انرژی پتانسیل اولیه = انرژی جنبشی به هنگام برخورد با سطح شنی + انرژی پتانسیل به هنگام برخورد با سطح شنی

$$mgh = \frac{1}{2} \ mv^2 \\ v = \sqrt{2gh} = \sqrt{2\times 9.8 \ \frac{m}{s^2} \times 2 \ m} = 6.3 \ \frac{m}{s}$$

گلوله با سرعت ۶/۳ متر بر ثانیه به سطح شنی برخورد و در آن فرو می‌رود. اکنون مدت زمانی که گلوله در شن تا توقف کامل فرو می‌رود را به‌دست می‌آوریم.

$$t = \frac{s}{v}= \frac{27 \times 10^{-3} \ m} {6.3 \ \frac{m}{s}} = 4.3 \times 10^{-3} \ s$$

در پایان، نیروی متوسط وارد شده از طرف شن بر گلوله را محاسبه می‌کنیم. برای این کار از تکانه لحظه‌ای استفاده می‌کنیم. تکانه لحظه‌ای به صورت حاصل‌ضرب نیروی متوسط در مدت زمان وارد شدن این نیرو، تعریف می‌شود.

$$F_{avg} \triangle t = m \triangle v \\ F_{avg} \triangle t = m(v_f - v_i) \\ F_{avg} = \frac{m(v_f - v_i)}{\triangle t }\\ F_{avg} = \frac{4.1\times10^{-3} \times ( 0 - 6.3 \ \frac{m}{s})}{4.3 \times 10^{-3}} = - \ 6.0 \ N$$

بزرگی نیروی متوسطی که شن بر گلوله وارد می‌کند برابر ۶/۰ نیوتن است. علامت منفی بدان معنا است که نیروی متوسط در جهت بالا و در خلاف جهت گلوله بر آن وارد می‌شود.

این مثال شباهت زیادی به برخورد شهاب سنگ به زمین دارد. اکنون برخورد شهاب سنگ را با دقت به فیزیک آن، بررسی می‌کنیم.

فیلم آموزش فیزیک پایه ۱ – مفاهیم پایه + حل مثال در فرادرس

کلیک کنید