قوانين نيوتن في الحركة
وضع العالم إسحاق نيوتن مؤسس علم الميكانيك قوانين نيوتن في الحركة (بالإنجليزية: Newton’s laws of motion)، حيث يصف نيوتن في هذه القوانين العلاقة ما بين حركة الأجسام والقوى المؤثرة عليها، وفيما يأتي تفسير هذه القوانين الثلاث:
قانون نيوتن الأول
يعرف قانون نيوتن الأول في الحركة باسم قانون القصور الذاتي (بالإنجليزية: the law of inertia)، وينص القانون على "أن الجسم الساكن يبقى ساكنًا، والجسم المتحرك يبقى متحركًا في نفس السرعة وبنفس الاتجاه، ما لم تؤثر عليه قوة خارجية تؤدي إلى تغيير حالته".
يوضح القانون أن الأجسام لا تميل للتحرك من تلقاء نفسها، بل تحتاج إلى قوة خارجية تؤثر عليها لتؤدي إلى التغيير من حالتها، فالجسم الساكن لن يتحرك، والجسم المتحرك بخط مستقيم وبسرعة ثابتة سيستمر في حركته بنفس السرعة، وبنفس الاتجاه ما لم تؤثر عليهما قوة خارجية تغير من حالة الجسم الحركية.
أمثلة حياتية على قانون نيوتن الأول
يوجد العديد من الأمثلة اليومية في الحياة والتي يمكن تطبيق قانون نيوتن الأول عليها، ومن هذه الأمثلة ما يأتي:
- يبقى الحجر ساكنًا في محله عند إلقائه على الأرض ساكنًا، ما لم تؤثر عليه قوة خارجية تغير من حالة سكونه.
- تبقى الدراجة مكانها عند وضعها في المخزن حتى تؤثر عليها قوة خارجية تغير من حالتها الحركية.
- تبقى الكرة تتحرك بنفس السرعة وبنفس الخط عند تدحرجها على سطح ما، ما لم تؤثر عليها قوة خارجية تؤدي إلى توقفها، وعادةً ما تتوقف الكرة على السطح الخشن بسرعة أكبر من السطح الناعم؛ وذلك لتأثير السطح الخشن عليها بقوة احتكاك أكبر تؤدي إلى توقفها.
- تتحرك الأجسام عند إلقائها في الفضاء الخارجي بسرعة ثابتة وخط مستقيم؛ وذلك لعدم وجود قوى خارجية في الفضاء الخارجي تغير من حركتها، مثل؛ قوة الجاذبية الخارجية، أو عوامل الطقس المختلفة.
قانون نيوتن الثاني
ينص قانون نيوتن الثاني للحركة (بالإنجليزية: Newton's Second Law Of Motion) على أنه "عندما تؤثر قوة على جسم ما، فإن هذه القوة تُكسب الجسم تسارعًا، حيث يتناسب هذا التسارع تناسبًا طرديًا مع القوة المؤثرة، وتناسبًا عكسيًا مع كتلة هذا الجسم".
ويصف قانون نيوتن الثاني أن تسارع جسم ما يعتمد على أمرين هما؛ كتلة الجسم، ومحصلة القوى المؤثرة على ذلك الجسم، حيث أنه كلما زادت كتلة الجسم قل تسارعه، وكلما زادت القوة المؤثرة على الجسم زاد تسارعه.
العلاقة الرياضية لقانون نيوتن الثاني
يمكن صياغة قانون نيوتن الثاني رياضيًا كما يأتي:
تسارع الجسم = محصلة القوى المؤثرة في الجسم / كتلة ذلك الجسم
وبالرموز:
ت = ق/ ك
إذ تشير الرموز إلى ما يأتي:
- ت: تسارع الجسم، ويقاس بوحدة م/ث².
- ق: محصلة القوى المؤثرة على الجسم، وتقاس بوحدة النيوتن (N) .
- ك: كتلة الجسم وتقاس بوحدة الكيلوغرام (غ).
ويعبر عنه بالرموز الإنجليزية:
a=f/m
حيث إنّ:
- a: تسارع الجسم (بالإنجليزية: acceleration).
- f: القوة المؤثرة في الجسم (بالإنجليزية: Force ).
- m: كتلة الجسم (بالإنجليزية: Mass ).
تمارين رياضية على قانون نيوتن الثاني
وفيما يأتي بعض الأمثلة الرياضية على قانون نيوتن الثاني:
مثال 1: أثرت قوة دفع مقدارها 50 نيوتن على جسم حتى يتحرك للأمام، مما أكسبه تسارعًا قيمته 30 م/ث²، ما كتلة الجسم؟
الحل:
- بتعويض المعطيات في القانون: ت = ق/ ك.
- ومنه؛ الكتلة = القوة المؤثرة / التسارع.
- وبالتالي الكتلة = 30 / 50
- أي أن كتلة الجسم الأصلية= 1.667 كغ.
مثال 2: سيارة بوزن 9000 كغ، تسارعت بقيمة 3 م/ث²، كم مقدار القوة المحصلة العمودية التي أثرت في السيارة حتى ينتج ذلك التسارع؟
الحل:
- بتعويض المعطيات في القانون ت = ق/ ك.
- وبالتالي القوة المؤثرة = التسارع × كتلة الجسم.
- القوة المؤثرة = 3 × 9000
- أي أن محصلة القوى المؤثرة = 27000 نيوتن، وذلك لإنتاج تسارع في السيارة بقيمة 3 م/ث².
مثال 3: ما مقدار التسارع الناتج عند تحريك جسم بكتلة 5 كغ وبقوة 30 نيوتن؟
الحل:
- بتعويض المعطيات في القانون: ت = ق/ ك
- وبالتالي التسارع = 30/5
- أي أن التسارع الناتج عن قوة مقدارها 30 نيوتن تؤثر على جسم بكتلة 5 كغ هي 6 نيوتن.
أمثلة حياتية على قانون نيوتن الثاني
فيما يأتي بعض الأمثلة الحياتية المتعلقة بقانون نيوتن الثاني:
- تتحرك الكرة بسرعة معينة واتجاه معين يعتمدان على مقدار قوة الضربة واتجاهها، فكلما كانت قوة الضربة أكبر زادت سرعة الكرة، وبالتالي زادت المسافة التي ستقطعها.
- تحتاج السيارة الكبيرة قوة دفع كبيرة لتحريكها، بينما تحتاج السيارة الأصغر إلى قوة أقل لتحريكها.
- يمشي الشخص الذي يتمتع بوزن أقل بسرعة أكبر من الشخص الذي يتمتع بوزن أكبر.
قانون نيوتن الثالث
يُعرف قانون نيوتن الثالث (بالإنجليزية: Newton's Third Law Of Motion)، باسم قانون الفعل ورد الفعل، وينص على أنه "لكل فعل رد فعل مساوٍ له في المقدار، ومعاكس له في الاتجاه"، ويعد قانون نيوتن الثالث من أكثر القوانين التي تُطبّق في جميع جوانب الحياة المختلفة.
يوضح قانون نيوتن الثالث أن القوى لا يمكن أن تحدث بشكل فردي، بل تحدث بشكل مزدوج، أي أنه يستحيل التأثير بقوة ما على جسم ما دون توقُع أن تنتُج قوة مساوية للقوة المؤثرة لكن مُعاكسة في اتجاهها، مما يعني أنه في أي التفاعل بين الأجسام المختلفة، يوجد هناك قوتان تؤثران على الجسم معًا.
أمثلة حياتية على قانون نيوتن الثالث
يوجد العديد من الأمثلة اليومية في الحياة والتي ينطبق عليها قانون الفعل ورد الفعل، وتندرج فيما يأتي بعض هذه الأمثلة:
- يسبح السمك في الماء مؤثرًا على المياه بقوة معينة باستخدام زعانفه؛ مما يؤدي إلى توليد قوة رد فعل من المياه على جسم السمكة مساويةً لقوة الزعانف لكن مُعاكسة في الاتجاه، مما يؤدي إلى دفع السمكة للأمام في المياه، وكذلك سباحة الإنسان في البحر الذي يستخدم اليدين بدلًا من الزعانف في نفس الآلية مما يؤدي إلى دفعه للأمام.
- تطير طائرة الهليكوبتر دافعةً الهواء للأسفل بمقدار قوة معين مما يؤدي إلى تأثير الهواء عليها بقوة رد فعل بنفس مقدار قوة دفعها للهواء ولكن للأعلى.
- تدفع العصافير الهواء للخلف بواسطة أجنحتها عند طيرانها في السماء؛ مما يؤدي إلى دفع الطائر للأمام كقوة رد فعل من الهواء.
- يرتد الشريط المطاطي عند سحبه بنفس مقدار القوة المؤثرة عليه، لكن بعكس الاتجاه.
ساهم العالم نيوتن في العديد من الإنجازات في العلوم المختلفة، إلا أن قوانينه الثلاث في الحركة هي من أهم القوانين التي تصف حركة الأجسام، حيث يتعلق قانونه الأول بحركة الأجسام الساكنة والمتحركة بخط مستقيم وسرعة ثابتة.
أما القانون الثاني فيصف تسارع الأجسام وعلاقتها بمقدار القوة المؤثرة وكتلة الجسم، في حين يصف قانونه الثالث وجود قوة رد فعل لكل القوى المؤثرة مساويةً في المقدار ومعاكسةً في الاتجاه لتلك القوة.
