نص قانون نيوتن الأول وشرحه
ينصّ قانون نيوتن الأول في الحركة على أن: "الجسم الساكن يبقى ساكنًا والجسم المتحرك يبقى متحركًا بسرعة ثابتة وفي خط مستقيم، ما لم تؤثر عليه قوة خارجية تغير من حالته".
ويسمى قانون نيوتن الأول للحركة بقانون القصور الذاتي (بالإنجليزية: the law of inertia)، وهو إحدى قوانين نيوتن التي عرفت باسم قوانين نيوتن الثلاث في الحركة (بالإنجليزية: Newton's three laws of motion).
عمل قانون نيوتن الأول على تفسير حركة الأجسام وعدم حركتها، وناقش جزئين: الأول هو الأجسام الثابتة، والثاني هو الأجسام المتحركة بسرعة ثابتة وبخط مستقيم، وبيّن أن هذه الأجسام ستبقى في حالتها دون تغيير إلاّ عند التأثير عليها بمحصلة قوى خارجية تؤدي إلى تغيير حالتها.
وغير ذلك فالجسم الساكن يبقى ساكنًا ولن يتحرك من تلقاء نفسه، والجسم المتحرك بخط مستقيم وبسرعة ثابتة لن يغير من سرعته أو اتجاهه إلّا بقوة خارجية تؤثر عليه.
لكن ليتحرك الجسم يجب أن تؤثر عليه قوى خارجية غير متوازنة (بالإنجليزية: Unbalanced force)، وهو من شروط قانون نيوتن الأول، حيث أن محصلة القوى المتوازنة ستُلغي قيمة بعضها وذلك لأنها تؤثر على الجسم بنفس القوة وعكس الاتجاه، أما القوى غير المتوازنة فينتج عنها قوة نهائية بقيمة معينة واتجاه معين تؤثر على حالة الجسم.
الصيغة الرياضية لقانون نيوتن الأول
يتم التعبير عن قانون نيوتن الأول رياضيًا كما يأتي:
محصلة القوى المؤثرة على الجسم= 0
وبالرموز:
Σق=0
وبالإنجليزية:
ΣF=0
حيث أن:
- (F) أو (ق): هي القوة المؤثرة (بالإنجليزية: Force).
وهذا يعني أن محصلة القوى المؤثرة على الجسم تساوي صفر وبالتالي يبقى الجسم في نفس حالته.
مما يعني أن:
ع/ ز= 0
حيث أن:
- ع: سرعة الجسم، بوحدة (م/ث).
- ز: الزمن، بوحدة (ث).
أي أن الجسم بقي ثابتًا على حالته، فالجسم الساكن بقي ساكنًا ولم تتغير سرعته خلال الزمن، والجسم المتحرك بقي بنفس السرعة وبنفس اتجاه الحركة، ولذلك كان فرق السرعة في حركته يساوي (0) خلال وحدة الزمن.
تطبيقات حياتية على قانون نيوتن الأول
يمكن تطبيق قانون نيوتن الأول على العديد من أوجه الحياة اليومية، وفيما يأتي بعض منها:
- الكتاب أو القلم الموجود على سطح الطاولة في حالة سكون
لن يتحرك سوى عند تطبيق قوة خارجية تؤدي إلى تحريكه.
يتم إيقافها عن طريق قوة الاحتكاك الذي يؤثر بها السطح الخشن على الكرة، ولولا قوة الاحتكاك لبقيت الكرة في حالت تدحرج حتى تواجه قوة خارجية أخرى تؤدي إلى توقفها، مثل حالة تدحرج الكرة على سطح أملس وناعم.
يبقى لوح التزلج بنفس السرعة ونفس الاتجاه حتى تؤثر عليه قوة خارجية، مثل قوة الاحتكاك مع الأرض، أو مواجهة حجر في طريقه.
- إلقاء الأجسام في الفضاء الخارجي
مثل بقايا حطام، أو بقايا مكوك فضائي فإن هذه الأجسام تتحرك بنفس السرعة ونفس الاتجاه إلى المالانهاية، وذلك لعدم وجود قوى في الفضاء تؤثر عليها، مثل الهواء الجوي، أو قوة الجاذبية الأرضية، وتستمر هذه الأجسام بالحركة حتى تصطدم بجسم ما مثل النيازك، أو حتى تدخل في مدار كوكب ما.
لولا تأثير الجاذبية الأرضية على ثمار الشجر، لبقيت الثمار معلقة في محلها دون حراك، لكن بفعل الجاذبية تتعرض الثمار للسقوط عن أغصان الأشجار.
تمارين على قانون نيوتن الأول
وفيما يأتي تمارين متنوعة على قانون نيوتن الأول:
مثال 1: يمكن تفسير دوران الكواكب حول الشمس وفقًا لقانون نيوتن الأول للحركة؟
من شروط تطبيق قانون نيوتن الأول على حركة الأجسام هو تحرك الجسم بسرعة ثابتة وبخط مستقيم، أما الكواكب فهي تدور في مدارات إهليلجية حول الشمس وليس بخط مستقيم، مما يعني أنها تحتاج إلى قوة خارجية تؤدي إلى استمرار حركتها في المدار الإهليجي، ولذلك فهي تتحرك بمحصلة قوى تؤثر عليها فتُبقيها في مدارها.
مثال 2: الجسم الساكن لا توجد قوى مؤثرة عليه؟
توجد عدة قوى تؤثر على الجسم في حالة سكونه، إلا أن محصلة القوى النهائية عملت على ثبات الجسم وعدم تحركه، فالقوى التي أثرت عليه وجعلته في حالة السكون قد تكون قوى موزونة؛ أي أنها أثرت بنفس المقدار وبعكس الاتجاه، مما أدّى إلى إلغاء هذه القوى في المحصلة.
وحتى يتغير الجسم من حالة السكون يجب أن تؤثر عليه قوى غير متوازنة، وهي الشرط الأساسي في قانون نيوتن الأول.
مثال 3: جسم موجود على سطح أفقي، كتلته 3 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، نجد أن الوزن = 30 نيوتن تقريبًا.
- وبما أن الجسم الساكن على السطح الأفقي تؤثر عليه قوة عمودية للأعلى، وقوة الوزن للأسفل ومحصلة القوى هي صفر، إذًا: القوة العمودية = الوزن وتساوي 30 نيوتن.
مثال 4: تؤثر قوة (ق1) على جسم باتجاه اليمين مقدارها 4 نيوتن، وقوة أخرى (ق2) باتجاه اليمين مقدارها 5 نيوتن، وقوة ثالثة (ق3) مجهولة المقادر باتجاه اليسار، جد قيمة القوة الثالثة إذا علمتَ أن محصلة القوى تساوي صفر.
الحل: باستخدام قانون نيوتن الأول فإن محصلة القوى تساوي صفر، ومنه:
- ق1 ق2 ق3 = 0
- 4 5 - ق3 = 0 (الإشارة السالبة تعني أن القوة باتجاه اليسار)
- ومنه؛ ق3= 9 نيوتن.
يعرف قانون نيوتن الأول للحركة بقانون القصور الذاتي وهو إحدى قوانين نيوتن الثلاث في الحركة، ويُفسر طبيعة حركة الأجسام وعدم حركتها؛ إذ إن الأجسام تميل إلى البقاء على حالها ولا تتحرك من تلقاء نفسها، حتى تؤثر عليها قوة خارجية تؤدي إلى حركتها.
ويوجد بعض الشروط الواجب توافرها حتى يتم تفسير حركة الأجسام بناءً على قانون نيوتن الاول، مثل شرط وجود القوى غير المتوازنة، كما يمكن تطبيق قانون نيوتن الأول في مجالات الحياة المختلفة، و يوجد العديد من التطبيقات على قوانين نيوتن بشكل عام.
