نيوتن
وُلِد إسحاق نيوتن (بالإنجليزية: Isaac Newton) في عام 1642م قرب غرانثم في إنجلترا ، وبدأ دراسته في جامعة كامبردج في سنة 1661م، وبعد أربع سنوات من بدء دراسته في الجامعة في عام 1665م أُغلقت الجامعة بسبب تفشي وباء الطاعون، الأمر الذي دفع نيوتن للعودة إلى المكان الذي نشأ فيه، وهو مزرعة في وولزثورب (بالإنجليزية: Woolsthorpe Manor)، وبينما كان في بستانٍ هناك وحسب شهادة البعض، سقطت تفاحة أمام نيوتن، الأمر الذي ألهمه لوضع قانون الجذب العام.
تعدّ إسهامات نيوتن في الفيزياء من الإسهامات المهمة جداً؛ سواءً أكانت في مجال الميكانيكا الكلاسيكية، مثل: قوانين نيوتن في الحركة، أو قانون الجذب العام، أو في علم البصريات، مثل: تحليل الضوء الأبيض باستخدام الموشور، أو صناعة التلسكوب العاكس، أو ظاهرة حلقات نيوتن، حيث تم بناء العديد من النظريات على هذه الإسهامات. وفي هذا المقال سوف يقتصر الحديث حول قوانين نيوتن الثلاثة في الحركة، بالإضافة إلى قانون الجذب العام.
قوانين نيوتن في الحركة
وضع نيوتن ثلاثة قوانين مشهورة جداً وأساسية في دراسة الفيزياء تُعرف بقوانين نيوتن في الحركة، وتعتبر هذه القوانين الثلاثة القاعدة الأساسية للميكانيكا الكلاسيكية. أمّا الفكرة العامة لهذه القوانين فهي وصف الأجسام والقوى التي تؤثر عليها، وطريقة استجابة الأجسام لهذه القوة من ناحية حركتها.
قانون نيوتن الأول
ينصّ قانون نيوتن الأول على أنّ الجسم الساكن يبقى ساكناً، والجسم المتحرك يبقى متحركاً ما لم تؤثر به قوة محصلة ما وهو المعروف بقانون القصور الذاتي للأجسام. يصف هذا القانون ميل الأجسام للمحافظة على حالتها الحركية، وممانعة تغييرها، وهذا ما يعرف بخاصية القصور الذاتي للأجسام، لذا يسمى قانون نيوتن الأول قانون القصور الذاتي، وتعتمد هذه الخاصية على كتلة القصور للجسم وتزداد بازديادها، وهذا يعني أن تغيّر الحالة الحركية للجسم تكون أصعب كلّما كانت كتلة القصور له أكبر، وبكلمات أخرى يمكننا تعريف كتلة القصور على أنّها مقدار الممانعة التي يبديها الجسم ضد القوة التي تحاول تغيير حالته الحركية.
قانون نيوتن الثاني
ينصّ قانون نيوتن الثاني على أنّه: إذا أثّرنا على جسم بقوة ما أدت إلى تغير حالته الحركية، فإن هذه القوة تكون مساوية لمقدار التغيّر الحاصل في الزخم نسبةً إلى الزمن. ويعبَّر عن هذا القانون رياضياً كالآتي:
- قالمحصلة= ك × ت، حيث إن:
- قالمحصلة: هي مجموع القوى المؤثرة على جسمٍ ما.
- ك: هي كتلة هذا الجسم.
- ت: هو التسارع الذي سوف يكتسبه هذا الجسم نتيجةً لتأثير هذه القوى عليه.
ومن الجدير بالذكر أن القانون الثاني لنيوتن يزودنا بكمية القوة ، حيث يمكن ملاحظة هذه القوة من التغير الحاصل في الحالة الحركية للجسم، بحيث انه كلما كانت القوة أكبر كلما كان التسارع أكبر (وبالتالي التغير في الطاقة الحركية أكبر). أيضاً كلما زادت كتلة الجسم تطلب هذا الأمر قوةً أكبر لإكسابها نفس التسارع الخاص بجسم أقل كتلةً.
قانون نيوتن الثالث
ينصّ قانون نيوتن الثالث على أنّه: (إذا أثر جسمان بقوة متبادلة على بعضهما البعض، فإن هذه القوة ستكون متساوية في المقدار، ومتعاكسة في الاتجاه). هذا القانون هو المعروف بقانون الفعل ورد الفعل، وهو يخبرنا بأنّه لا وجود لقوة منفردة معزولة بشكل كامل، ومثال على ذلك أي جسم موضوع على الأرض أو أي سطح ما، ولنقل إن النظام الذي لدينا هو كتاب موضوع على طاولة، فبما أنه توجد للكتاب كتلة فهذا يعني أنه سيمتلك وزناً، والوزن هو قوة سحب الجاذبية الأرضية للكتاب، وسيكون اتجاه هذه القوة للأسفل، فمثلاً إذا رمينا كتاباً على الطاولة فإنه سوف يتسارع حتى يصل إلى سطح الطاولة ويستقر، وسبب استقراره رغم استمرار وجود قوة الجاذبية هو رد الفعل الذي تقوم به الطاولة على الكتاب عندما يكون على سطحها، وتسمى هذه القوة بالقوة العمودية، وتكون دائماً عمودية على السطح؛ و(الفعل في هذه الحالة هو قوة جذب الأرض للكتاب، ورد الفعل هو القوة العمودية التي تؤثر بها الطاولة على الكتاب). من الجدير بالذكر أيضاً أنه كما يُخبرنا نص القانون، فإنّ قوة رد الفعل تكون مساوية لقوة الفعل ومعاكسة لها في الاتجاه، ويتم التعبير عن هذا الاتجاه المعاكس رياضياً بإشارة سالبة.
قانون الجذب العام
في عام 1687م نشر نيوتن عمله المتعلق بالجاذبية بعد الحادثة التي مرت به، وبعد دراسته للبيانات التي تم جمعها منذ القدم حول دوران القمر حول الأرض وبيانات عن حركة الكواكب، لم يتمكن أحدٌ قبله من حل لغز حركة هذه الكواكب والقمر، إلا أن نيوتن أتى بالحل، وباستخدام قانونه الأول قانون القصور الذاتي، استنتج أنه لا بد للقمر من أن يستمر في حركته في خطٍ مستقيم لو لم تكن تؤثر به قوة ما، الأمر الذي يعني وجوب وجد قوة مؤثرة على القمر تبقيه في مداره شبه الدائري حول الأرض، وهذه القوة هي نفسها القوة الموجودة بين الشمس والكواكب والتي تبقيها في مداراتها حول الشمس، وهي نفسها القوة التي سحبت التفاحة للأسف بدل من أن تتركها تعوم وترتفع للأعلى.
قانون الجذب العام لنيوتن هو الذي نُشر في تلك السنة وكان بعد عملٍ دؤوب من نيوتن، ولم يكن في لمحة عين. ونص هذا القانون هو: كل جسم في الكون يجذب كل الأجسام الأخرى بقوة تتناسب طردياً مع حاصل ضرب كتليتهما وعكسياً مع مربع المسافة بينهما . هذا القانون الذي يُعرف بقانون الجذب العام غالباً ما يُطلق عليه 'قانون التربيع العكسي لنيوتن' لأن القوة فيه تتناسب بشكل عكسي مع مربع المسافة بين الجسمين. يمكن كتابة هذا القانون رياضياً كالآتي:
- ق= (ج ك1ك2)/ف، حيث إن:
- ق: هي القوة.
- ج: هو ثابت الجذب العام الذي قيمته 6.673×10 نيوتن.م/كغ.
- ك: هي كتلة الجسم الأول.
- ك2: هي كتلة الجسم الثاني.
- ف: هي المسافة بين الجسمين.
