ما هو قانون نيوتن الأول؟
ينص قانون نيوتن الأول على أنّ (الجسم الساكن يبقى ساكنًا والجسم المتحرك بسرعة ثابته في خط المستقيم يبقى على هذه الحالة، ما لم تؤثر عليه قوة خارجية تغير من حالته)، وقد تم البحث في مبدأ القصور الذاتي أولًا من قبل العالم جاليليو ( Galileo )، حتى توصل نيوتن إلى القانون الأول له والذي أوضح فيه مفهوم هذا القانون.
درس العالم إسحاق نيوتن الحركة المختلفة للأجسام، حيث وضع 3 قوانين لتفسير حركة الأجسام المختلفة، وعُرفت هذه القوانين باسم قوانين نيوتن الثلاثة في الحركة (Newton's three laws of motion)، وأول هذه القوانين هو قانون نيوتن الأول الذي عرف باسم قانون القصور الذاتي (the law of inertia).
تفسير قانون نيوتن الأول
بالرجوع إلى نص قانون نيوتن الأول، فإنه يُفسر أن لا شيء يحدث بدون تأثير قوة خارجية، فالجسم الساكن أو المتحرك بحاجة إلى قوة خارجية تؤثر عليه حتى تغير من حالته، وقد انطوى قانون نيوتن الأول على جزئين، يناقش الجزء الأول حركة الجسم الساكن، أمّا الجزء الثاني فيناقش حركة الجسم المتحرك بسرعة ثابتة في خط مستقيم.
ويوضح هذا القانون أنّ الأجسام تميل إلى الاستمرار على حالتها، فالجسم الساكن سوف يبقى ساكنًا حتى تأتي قوة خارجية تغير من حالته السكونية، ومن دون هذه القوة سوف يبقى ساكنًا، والجسم المتحرك بسرعة ثابتة، سوف يستمر في التحرك بنفس السرعة، وبنفس الاتجاه حتى تؤثر عليه قوة خارجية تغير سرعته أو اتجاهه.
ومن أهم الشروط الواجب توافرها لتطبيق قانون نيوتن الأول على الأجسام، هو تأثير قوى خارجية غير متوازنة على الأجسام، حيث أنه عند تأثير قوى متوازنة على الجسم فلن تؤدي إلى تغيير حالة الجسم سواء الساكنة أو المتحركة بسرعة ثابتة وبخط مستقيم، وذلك لأن القوى المؤثرة على الجسم متساوية في المقدار ومتعاكسة في الاتجاه، مما يعني أنها سوف تلغي قيمة بعضها بالمحصلة، وبالتالي سوف يبقى الجسم على حاله دون تغيير، وسوف يبقى الجسم في حالة توازن (equilibrium).
أما القوى غير المتوازنة، فسوف تؤثر على الجسم بقوى مختلفة في المقدار وبالاتجاه، وينتج عن محصلة هذه القوى المؤثرة جميعها على الجسم قوة واحدة باتجاه واحد، تؤدي إلى تغيير حالة الجسم حسب محصلة القوى النهائية، وهذه هي القوى الواجب توافرها من أجل تغيير حالة الأجسام في قانون نيوتن الأول.
الصيغة الرياضية لقانون نيوتن الأول
يمكن التعبير عن قانون نيوتن الأول للحركة بالصيغة الرياضية الآتية:
مجموع القوى المحصلة المؤثرة على الجسم = صفر
ويمثل بالرموز بالصيغة:
Σق=0
وبالإنجليزية:
The vector sum of the forces acting on the body = zero
بالرموز الإنجليزية:
ΣF=0
حيث أنّ:
- F أو ق: هي القوة المؤثرة (Force)، بوحدة نيوتن(N).
- Σ: وهي إشارة سيغما، وتعني المجموع.
تطبيقات من حياتنا على قانون نيوتن الأول
يوجد العديد من التطبيقات اليومية في حياتنا على قانون نيوتن الأول، ومنها ما يأتي:
- الحجر المُلقى على الأرض، سوف يبقى ساكنًا في محله حتى تؤثر عليه قوة خارجية تعمل على تحريكه.
- الدراجة الهوائية المُخزنة في البيت سوف تبقى على حالها، حتى يتم استعمالها، أي أنها لن تتحرك لوحدها.
- الكتاب الموجود على الرف سوف يبقى على حاله ولن يتحرك من تلقاء نفسه.
- أي جسم متحرك لن يتوقف من تلقاء نفسه.
- الكرة المُتدحرجة على الأرض سوف تستمر بالتحرك، وسوف تتوقف بشكل أسرع على السطح الخشن من السطح الأملس، وذلك لتأثير السطح الخشن عليها بقوة احتكاك تؤدي إلى توقفها.
- الغبار المتراكم على السجادة، سوف يبقى في مكانه حتى يتم التخلص منه من خلال التأثير عليه بقوة معينة، مثل تنظيف السجادة عبر ضربها بالعصا.
تدريبات على قانون نيوتن الأول
وفيما يأتي بعض المسائل الرياضية على قانون نيوتن الأول:
جسم ساكن
جسم موجود على سطح أفقي، كتلته 4 كغ، موجود في حالة اتزان، جد مقدار القوة العمودية المؤثرة عليه؟
الحل:
- بما أن الجسم في حالة اتزان إذًا مجموع القوى المؤثرة عليه تساوي صفر، أي أن Σق=0 وذلك وفقًا لقانون نيوتن الأول.
- باستخدام قانون الوزن: الوزن= الكتلة × الجاذبية الأرضية، وضمن معطيات السؤال فالكتلة = 4 كغ، والجاذبية الأرضية = 10 (م/ ث ² ).
- نجد أن الوزن = 40 نيوتن تقريبًا.
- وبما أن الجسم الساكن على السطح الأفقي تؤثر عليه قوة عمودية للأعلى، وقوة الوزن للأسفل ومحصلة القوى هي صفر، إذًا:
- القوة العامودية = الوزن= 40 نيوتن.
جسم يتحرك بسرعة ثابتة باتجاه أفقي
يتحرك جسم بسرعة ثابتة باتجاه أفقي على سطح الأرض، ما مقدار القوة التي تدفع الجسم للأمام، مع حفاظ الجسم على نفس سرعته، علماً بأن قيمة قوة احتكاك الجسم بالأرض تساوي 6 نيوتن؟
الحل:
- تعمل قوة الاحتكاك على دفع الجسم بعكس اتجاه الحركة مما يسبب توقف الجسم أو تباطؤه.
- وحيث أن لثبات سرعة الجسم يجب ان تكون محصلة القوة تساوي صفر، أي أن Σق=0.
- إذاً يؤثرعلى الجسم قوة احتكاك للخلف تساوي 6 نيوتن، وقوة دفع للأمام تساوي 6 نيوتن، فتعمل هذه القوى على إلغاء بعضها وبالتالي يبقى الجسم في نفس سرعته.
جسم يتحرك بسرعة ثابتة باتجاه عمودي
إذا كنت تقف على ميزان في مصعد سريع، يتحرك بسرعة ثابتة، ثم يهبط بك إلى حيث انطلقت، وكانت قراءة الميزان تساوي 400 نيوتن، احسب وزنك الحقيقي؟
الحل:
بما أن المصعد يتحرك بسرعة ثابتة، إذًا الوزن الحقيقي=الوزن الظاهري=400 نيوتن.
يعد قانون نيوتن الأول من أهم القوانين التي تصف حركة الجسم، وهو من أول القوانين التي تم اكتشافها لحركة الأجسام، ولكن يُشترط ليتم تطبيق قانون نيوتن الأول بأن يكون الجسم إما ساكنًا، أو متحركًا بسرعة ثابتة في خط مستقيم، ويجب أن تؤثر على هذه الأجسام محصلة قوى غير متوازنة.
