القوّة
القوة هي الفعل الذي يؤثر على الأجسام، فيكسبها حركة ذات تسارع مُعيَّن يزيد كلما زادت القوة، وقد كان للعالم الشهير إسحق نيوتن فضل في اكتشاف أبرز قوى الطبيعة التي باتت تُعرف باسم قوة الجاذبية الأرضية ، وكان ذلك عندما لاحظ التفاحة وهي تسقط من على الشجرة، فعَلِم مع مرور الوقت أنَّ هناك قوّة جعلتها تتحرّك باتجاه الارض. يشتهر نيوتن بنظريّاته الثلاث المُختصّة بالحركة والتي سُمّيت باسمه، وهم: قانون نيوتن الاول، وقانون نيوتن الثاني، وقانون نيوتن الثالث، وقد فجّرت هذه القوانين ثورة علمية كبيرة جعلت صاحبها يتربع على كرسي الزعامة العلمية في مجال الفيزياء ، وفتحت آفاق التطوُّر والصناعة ليتمكن الإنسان في القرن العشرين من أن يرصد القوى حوله في هذا الكون، فيُسخِّرها لخدمته ويطوِّعها لتُيَسِّر له عمارة الأرض.
وحدة قياس القوة
لقد تمكّن نيوتن من قياس القوة والتعرف عليها، فكان اسمه هو الرمز العلمي المعترف به حول العالم لقياس القوة، فأصبح اسمه يُعبِّر عن ذلك الفعل الذي إن أثّر على جسم كتلته كيلوجرام واحد فإنّه يكسبه تسارعاً مقداره متر لكل ثانية تربيعيّة؛ أي أنَّ النيوتن يرصد مقدار القوة بقدر ما تحدثه هذه القوة من تأثير على جسم معين، وبهذا يمكن القول بأنَّ وحدة قياس القوة مكوَّنة من عنصرين هما الكتلة والتسارع ؛ الأول هو كتلة الجسم الذي تؤثر عليه القوة فتحركه، أمّا التاني فهو مقدار الزيادة في سرعة الجسم كل ثانية من الزمن، ويَجدُر القول أنَّ القوة تُقاس بمقدار السرعة التي تكسبها للوحدة الواحدة من كتلة الجسم الذي تؤثر عليه.
تُعتبر وحدة النيوتن وحدة مُشتقّة من الوحدات الأساسيّة في النظام العالمي للوحدات، فمن خلال تعريف القوّة يُمكن التوصُّل إلى أنَّ الوحدة الأساسيّة المُستخدمة لقياسها هي:
- كيلوغرام×متر/ثانية، وباختصارها يمكن الحصول على: كغم×م/ث.
إنَّ سبب رفع وحدة الزمن (الثانية) إلى القوّة الثانية يعود إلى كون القوّة تتناسب طرديّاً مع التغيُّر في سُرعة الجسم ، أي التسارُع، والتي تُقاس بالمتر/ثانية، وليس سُرعة الجسم لحظيّاً، والمُقاسة بوحدة المتر/ثانية، وهذا ما تختلف به وحدة القوّة عن وحدة الزَّخم، والتي يُعبَّر عنها بالكيلوغرام×متر/ثانية.
إسحاق نيوتن
إسحاق نيوتن (بالإنجليزيّة: Isaac Newton) هو عالم فيزياء ورياضيّات إنجليزي، وُلد في قرية وولزثورب في إنجلترا في كانون الثاني من عام 1643م، ويُعدّ نيوتن من أبرز العلماء على مرّ التاريخ وأكثرهم تأثيراً، فبالإضافة لإنجازاته في مجال الحركة، ومجال الرياضيّات، ومجال البصريّات، فقد قام بوضع أُسس الفيزياء الحديثة، كما أنّه قام بتأليف كتاب الأصول الرياضية للفلسفة الطبيعية (بالإنجليزيّة: Mathematical Principles of Natural Philosophy)، والذي يُعتبر من أشهر الكتب في الفيزياء وأكثرها تأثيراً. توفّي إسحق نيوتن في مدينة لندن البريطانيّة عام 1727م.
يُعتبر نيوتن هو أوّل من قام باكتشاف الجاذبيّة بين الأجسام ووضع مبادئها، فقد وضع قانون سُمّي بقانون الجذب العام في كتابه الأصول الرياضية للفلسفة الطبيعية، وينص القانون على أنَّ كل جُسيم نُقطي يقوم بجذب جُسيم نقطي آخر من خلال قوّة تمتدّ من كلا الجُسيمين بخطٍّ مُستقيم؛ حيثُ إنَّ هذه القوّة تتناسب طرديّاً مع حاصل ضرب كُتلتي الجسيمين وعكسيّاً مع مُربَّع المسافة بينهما.
قوانين نيوتن في الحركة
من أشهر ما اكتشفه نيوتن هي قوانينه الثلاثة في الحركة، وقد تمَّ إثبات صحّة هذه القوانين على مرّ ثلاثة قرون عن طريق العديد من التجارُب، وتُعدّ هذه القوانين هي أساس الميكانيكا الكلاسيكيّة ، وهي الميكانيكا التي تدرس الأجسام التي تزيد حجماً عن تلك المدروسة في ميكانيكا الكمّ ، والتي أيضاً تُعدّ أبطأ من تلك الأجسام المدروسة في الميكانيكا النسبيّة.
قانون نيوتن الأوّل
ينصّ قانون نيوتن الأوّل على أنَّ: "الجسم الساكن يبقى ساكناً، والجسم المُتحرِّك يبقى مُتحرِّكاً ما لم تؤثِّر به قوّة خارجيّة"، فالجسم لا يمكن أن يُغيِّر من حالته الحركيّة (كالوقوف أو التحرُّك) أو أن يُغيِّر اتّجاه حركته إلّا إذا تمَّ التأثير عليه من قبل قوّة (أو مُحصّلة قوى) تؤدّي إلى تغيير حالته.
قانون نيوتن الثاني
ينص قانون نيوتن الثاني على أنَّ: "القوّة المؤثِّرة على الجسم تساوي كتلة هذا الجسم مضروبةً في تسارعه."، ويمكن التعبير عن هذا القانون من خلال العلاقة الرياضيّة التالية:
القوّة=الكتلة×التسارع؛ حيثُ تُعتبر القوّة والتسارُع كمّيّتان متّجهتان، ويمكن اختصار العلاقة بحيث تصبح كالتالي:
ق=ك×ت
قانون نيوتن الثالث
ينصّ قانون نيوتن الثالث على أنَّه "لكل فعل رد فعل مساوٍ له في المقدار ومُعاكس له في الاتجاه"، ومن بعض الأمثلة من حياة اللإنسان اليوميّة على هذا القانون هو عند تدافع جسمان معاً، فإنَّ الجسم المدفوع يقوم بالتأثير بنفس مقدار القوّة التي أثّرها فيه الجسم الآخر ولكن باتّجاه مُعاكِس.
تطبيقات على قوانين نيوتن في الحركة
- مثال (1): تعطّلت سيّارة تبغ كتلتها 1000 كيلوغرام في الشارع، فنزل سائق السيّارة وبدأ بدفعها، فأخذت السيّارة تتسارع بمقدار 0.05 متر/ثانية. جد مقدار القوّة التي يقوم السائق بتأثيرها على السيّارة.
- الحل: باستخدام قانون نيوتن الثاني، وبتعويض المعطيات في العلاقة، فإنَّ الحل سيكون كالتالي:
- القوّة=1000×0.05=50 نيوتن.
- مثال (2): تبلغ كتلة صندوق موضوع على أرض مستوية 20 كيلوغراماً، وتمَّ التأثير عليه بقوّة موازية لسطح الأرض تبلغ 10 نيوتن. جد تسارع الصندوق.
- الحل: بتعويض المعطيات في قانون نيوتن الثاني، فإنَّ الحل سيكون كالتالي:
- 10=20×التسارُع
- بقسمة طرفي المعادلة على 20، فإنَّ الناتج هو:
- التسارُع=0.5م/ث.
- مثال (3): سقط حجر تبلغ كتلته 1 كيلوغرام سقوطاً حُرّاً من أعلى الجسر. جد القوّة المؤثّرة في الحجر.
- الحل: إنَّ تسارع الحجر يساوي تسارع الجاذبيّة الأرضيّة، ويساوي 9.81م/ث، فبتعويض كتلة الجسم وتسارعه في قانون نيوتن الثاني، فإنَّ القوّة المؤثِّرة في الحجر هي:
- القوّة=9.81×1=9.81 نيوتن.
