Table of Contents
تقريرنا الحالي عن قوانين نيوتن للحركة الأول والثاني والثالث مع شرحها وتفسيرها وإعطاء أمثلة عليها من الحياة اليومية .
قام نيوتن بتطوير هذه القوانين الثلاثة التي كانت موجودة سابقاً، منذ زمن الفيلسوف اليوناني أرسطو الذي كان يعتقد أن الجسم يكون في حالته الطبيعية في حالة راحة،
و يجب أن تطبق عليه قوة خارجية حتى يتحرك في خط مستقيم و بسرعة ثابتة، و هذه القوة الخارجية يجب أن تكون مستمرة حتى لا يتوقف الجسم عن الحركة.
أما جاليليو كان يعتقد أن القوة الخارجية ضرورية لتغيير سرعة الجسم، وليس هناك ضرورة لوجود قوة لكي يحافظ الجسم على سرعته.
قال نيوتن أن الجسم قادر على الاستمرار في الحركة دون الحاجة لوجود قوة خارجية. كما قام نيوتن بإعادة صياغة قانون جاليليو بما يسمى قانون القصور الذاتي أو قانون نيوتن الأول.
تم التحقق من قوانين نيوتن لأكثر من 200 عام من خلال التجربة والملاحظة في الحياة اليومية.
و ساعدت قوانين نيوتن الثلاث مع قانون الجاذبية العامة وقوانين التفاضل والتكامل على تفسير الظواهر الفيزيائية.
يتم تطبيق قوانين نيوتن الثلاث ب الاعتماد على التركيز على حركته مع إهمال شكل الجسم وحجمه، وبذلك يمكن تطبيق هذه القوانين على الكواكب لتحليل الحركة المدارية.
لا تكفي قوانين نيوتن الثلاث لوصف حركة الأجسام المشوهة والجامدة، لذلك تم الاعتماد على قوانين ليونارد أويلر عام 1750 وتسمى قوانين أويلر للحركة،
مع العلم أنه يمكن اشتقاق هذه القوانين من قوانين نيوتن للحركة.
لا تصلح قوانين نيوتن لشرح الظواهر التي تتعلق ب الذرات والإلكترونات و كهرباء الأجسام.
عرفت قوانين ” كبلر” للحركة قبل قوانين نيوتن ولكنها تفيد في دراسة حركة الكواكب في النظام الشمسي فقط.
قوانين نيوتن للحركة
تعتبر قوانين نيوتن للحركة ثورة في عالم الفيزياء، فهي تصف حركة الأجسام والقوى التي تؤثر عليها، سوف نتحدث عن هذه القوانين بالتفصيل:
قانون نيوتن الأول للحركة
يشير قانون نيوتن الأول للحركة إلى أن الأجسام تميل إلى البقاء على وضعها، فهي لا يمكن أن تبدأ أو تتوقف أو تغير اتجاهها من تلقاء نفسها،
وهذا يحتاج إلى تطبيق قوة خارجية أو مجموعة قوى تسمى محصلتها القوة الصافية. تسمى مقاومة الأجسام لتغيير حالتها بالقصور الذاتي.
ينص قانون نيوتن الأول على أن الجسم في حالة الراحة أو حالة الحركة المنتظمة يبقى على حاله ما لم تؤثر عليه قوة خارجية صافية.
أي أن الجسم إذا كان ساكناً يبقى ساكناً، وإذا كان يتحرك حركة مستقيمة منتظمة بسرعة 15 م / ثا نحو الشرق، فإنه يستمر على الحركة بهذه السرعة وباتجاه الشرق طالما لم تؤثر عليه قوى خارجية.
إذا نتجت القوة الصافية عن مجموعة قوى متوازنة فإن الجسم يحافظ على حركته المنتظمة بسرعة ثابتة، وإذا كانت السرعة الثابتة صفرية فإن الجسم يبقى في حالة سكون.
القوة الصافية هي مجموع القوى المؤثرة على جسم ما أي أن:
F = F1 + F2 + F3
تقاس القوة بالنيوتن، وإذا كانت القوى لها نفس الاتجاه فإن القوة الصافية تأخد هذا الاتجاه، أما إذا كانت مختلفة في الاتجاه فإن القوة الصافية تتجه باتجاه القوة الأكبر.
مثال عملي
تؤثر على جسم ما قوة أولى شدتها 8 نيوتن وتتجه باتجاه اليمين، وقوة ثانية شدتها 10 نيوتن وتتجه باتجاه اليسار. ماهي شدة القوة الصافية وما هو اتجاهها؟
F = F1 +F2
F = 8-10 = – 2 نيوتن.
تتجه القوة باتجاه اليسار.
أمثلة من الحياة اليومية على قانون نيوتن الأول
1- الساحر الذي يسحب مفرش الطاولة: يقوم الساحر بحركات خفة ويسحب مفرش طاولة من أسفل مجموعة من الأطباق و الأكواب، دون أن تتأثر الأطباق و الأكواب بذلك.
يفسر ذلك بأن تطبيق قوة أفقية على مفرش الطاولة وسحبه يجعله ينزلق بدون أن يحدث قوة احتكاك على الأطباق والأكواب.
2- عندما نضع علبة من أقلام التلوين على أحد رفوف المكتبة، فإنها تحافظ على وضعها في حالة راحة وتبقى ثابتة. وهذا يعتبر مثالاً على الأجسام الساكنة.
3- شخص يمشي في الطريق: حيث يمشي الشخص وهو ذاهب إلى عمله بحركة منتظمة ويحافظ على سرعته طالما لم تتدخل قوة خارجية.
4- سيارة تقلع بسرعة: يكون الأشخاص في حالة راحة، عندما تقلع السيارة بسرعة يندفع الأشخاص إلى الأمام بشكل تلقائي وذلك لأنهم يحاولون مقاومة التغيير الذي طرأ على حالتهم،وهذا يفسره قانون القصور الذاتي. ويسمى قصور الحركة.
ومن ناحية أخرى، عندما يكون هناك منعطف باتجاه اليمين، تقوم السيارة ب الدوران نحو اليمين فنجد الأشخاص يميلون محاولين مقاومة التغيير وهذا يسمى قصور الاتجاه ويفسره قانون القصور الذاتي أو قانون نيوتن الأول.
5- كأس من الشاي على الطاولة: عندما نضع كأس مملوء بالشاي على طاولة فإنه يبقى في حالة سكون طالما لم نطبق عليه قوة خارجية،
ولكن عندما نحرك الكأس على الطاولة باتجاه اليمين نلاحظ أن الشاي ينسكب باتجاه اليمين ويمكن تفسير ذلك حسب قانون القصور الذاتي،
ولو أننا حركنا الكأس باتجاه اليسار فإن الشاي سوف ينسكب باتجاه اليسار.
6- المظلي الذي يقفز من الطائرة: تكون الطائرة في حالة حركة أفقية في الجو، يقفز المظلي منها بسرعة أولية تساوي الصفر، يؤثر وزن المظلي بشكل عمودي إلى الأسفل بفعل الجاذبية الأرضية،يبدأ المظلي بالتسارع لأن القوة الكلية التي تؤثر عليه ليست صفراً، مع ازدياد سرعة المظلي تزداد مقاومة الهواء الذي يقاوم القوة الهابطة إلى الأسفل، عندما تتساوى مقاومة الهواء مع وزن المظلي تصبح القوة التي تؤثر على المظلي تساوي الصفر، يتوقف بعدها التسارع وتصبح السرعة ثابتة، عندها يفتح المظلي مظلته.
تزداد مقاومة الهواء وعندما تصبح أكبر من وزن المظلي يبدأ المظلي بالتباطؤ ويصل إلى الأرض بسرعة نهائية لا تتجاوز بضعة ميللي ثانية.
7- دوران المروحة الكهربائية: تكون المروحة في حالة سكون، وعند تشغيل الزر الكهربائي تبدأ بالدوران، تستمر المروحة في حالة حركة منتظمة،
وعند إطفائها لا تتوقف فجأة، بل تستمر شفرات المروحة بالدوران و بحركة متباطئة لأنها تخضع لقانون القصور الذاتي و تحاول مقاومة التغيير في الحركة.
8- التزلج: عند التزلج فإن جسم المتزلج في عربة التزلج يميل إلى الأمام بشكل تلقائي، وعند اصطدام عربة التزلج بأي عارض تتوقف عربة التزلج
ويطير المتزلج إلى الأمام بفعل قانون القصور الذاتي حيث أنه يحاول مقاومة التغيير الذي طرأ على حركته و حاول إيقافه.
مقالات ذات صلة:
قانون نيوتن الثاني للحركة
يسمى قانون نيوتن الثاني للحركة بقانون التسارع وينص على أنه عند تطبيق قوة خارجية على جسم ما فإنه يكتسب تسارعاً حسب المعادلة:
F = m * a
حيث إن m تمثل كتلة الجسم وتقاس بالكغ.
و a تمثل تسارع الجسم الذي يعرف بتغير السرعة بالنسبة للزمن و يقاس ب م / ثانية مربع.
عند وجود أكثر من قوة خارجية فإن التسارع يتناسب طرداً مع القوة الكلية الصافية و عكساً مع كتلة الجسم.
ملاحظة :
يمكن أن تسبب القوة الخارجية التي تم تطبيقها على جسم متحرك بحركة منتظمة إلى تباطؤ الجسم وفي هذه الحالة السرعة في تناقص. مثال: سيارة تسير بسرعة منتظمة في طريق عام وبدأ المطر ب التساقط،
سوف تظهر قوة احتكاك بين الطريق والعجلات و يخشى في هذه الحالات من الحوادث، سوف يضطر السائق إلى تخفيف السرعة.
ومثال آخر: أب يمشي مع طفله الصغير في نزهة إلى الحديقة، عندما يتعب الطفل و يطلب من والده أن يحمله، سوف يتباطأ الأب بعد حمل ابنه لأنه تم تطبيق قوة خارجية عليه.
مثال عملي
1- المطلوب حساب القوة الكلية التي يجب أن تطبق على سيارة كتلتها 1600 كغ لكي تكتسب تسارعاً بمقدار 4.5 م / ثانية مربع.
F = m * a = 1600 * 4.5 = 7200 نيوتن.
2- المطلوب حساب التسارع الذي يكتسبه جسم عندما تطبق عليه قوة مقدارها 1000 نيوتن، مع العلم ان كتلة الجسم 500 كغ.
F = m * a
a = F / m = 1000 / 500 = 2 م / ثانية مربع.
ذات صلة :
- قانون نيوتن الثاني: فيديو مع شرح مبسط وأمثلة عملية من الحياة اليومية
- قانون نيوتن الأول والثاني والثالث: فيديو مع شرح وأمثلة من الحياة اليومية
أمثلة من الحياة اليومية على قانون نيوتن الثاني
1- الدراجة: تكون الدراجة في حالة سكون، وعندما يبدأ سائق الدراجة بالضغط على الدواسات، تبدأ العجلات ب الدوران، وتكتسب الدراجة تسارعاً يتناسب مع القوة المطبقة على الدواسات،
فكلما كانت القوة المطبقة أكبر كلما كان تسارع الدراجة أكبر.
2- البيسبول: تكون الكرة ثابتة بدون حركة، عندما يقوم شخص بدفعها باتجاه اليمين، فإنها تتحرك باتجاه اليمين وبتسارع يتناسب مع قوة اللاعب التي بذلها.
وعندما تكون قوة اللاعب موجهة لليسار تذهب الكرة باتجاه اليسار.
3- لعبة شد الحبل: يكون الحبل ثابتاً دون تطبيق قوة خارجية، وعندما يبدأ شد الحبل بين شخصين فإن الحبل يتجه باتجاه القوة الأكبر.
وإذا تبارى فريقين فإن قوة كل طرف هي محصلة قوى الفريق.
4- دفع سيارة أو شاحنة: ربما يستطيع شخص عندما تتوقف سيارة أن يقوم بدفعها وبالتالي يطبق عليها قوة تكسبها تسارعاً، يتناسب هذا التسارع مع كتلة الشخص،
لكن هذا الشخص لن يستطيع دفع شاحنة عندما تتوقف لأن كتلة الشاحنة أكبر بكثير من كتلة السيارة، لذلك فإن تطبيق قانون نيوتن الثاني يعتبر نسبياً.
5- رفع الأثقال: ينطبق نفس المثال السابق على رفع الأثقال، عندما تكون في الأرض ويقوم الرياضي برفعها إلى الأعلى عن طريق تطبيق قوة تكسب الأثقال تسارعاً إلى الأعلى،
ولكن لا تستطيع الفتاة غالباً رفع هذه الأثقال لأنها لن تستطيع تطبيق نفس القوة.
6- مقبض الباب: يكون الباب وهو مغلقاً في حالة سكون، نقوم بتطبيق قوة تتجه للأسفل على مقبض الباب، فنلاحظ ان الباب تم فتحه ومع دفعه يستمر بالحركة ويكتسب تسارعاً.
7- الطائرة الورقية: تكون السرعة البدائية للطائرة صفر، وعند تطبيق قوة أفقية عليها فإنها تكتسب تسارعاً وتسير في طريق مستقيم في اتجاه رميها.
8- سيارات السباق: يعتبر المهندسون عند تصميم سيارات السباق التقليل من كتلة السيارة قدر الإمكان وذلك لأنه كلما كانت الكتلة أقل كلما زاد التسارع،
وسرعة سيارة السباق هي النقطة الأهم بعد أمان السيارة، لأنها تزيد من فرصة الفوز.
9- حركة الطفل: عندما يركض الطفل نلاحظ أنه يتحرك بسرعة دون توقف نظراً لأن كتلته صغيرة وهذا يجعله يكتسب تسارعاً أكبر، و بالمقارنة مع حركة شخص بالغ، فإنه لن يستطيع التحرك بهذه السرعة لأن كتلته أكبر، حسب قانون نيوتن الثاني أو قانون التسارع.
قانون نيوتن الثالث للحركة
يسمى قانون نيوتن الثالث للحركة بقانون الفعل ورد الفعل، يصف قانون نيوتن الثالث ما يحدث للجسم عندما يطبق قوة على جسم آخر.
وينص قانون نيوتن الثالث على أن لكل فعل رد فعل يساويه ب المقدار ويعاكسه بالاتجاه.
أي أنه عندما يؤثر جسم A على جسم B بقوة ما نسميها FAB وهي تتجه باتجاه اليمين، فإن الجسم B يؤثر على الجسم A بقوة نسميها FBA تساوي FAB ب الشدة وتعاكسها بالاتجاه أي تتجه نحو اليسار.
يمكن التعبير عن ذلك بالعبارة:
FAB = – FBA
تتعلق قوة الفعل بكتلة الجسم وتسارعه، وتتناسب طرداً مع كل منهما، كلما زادت كتلة الجسم و تسارعه زادت قوة الفعل، و بالتالي تزداد قوة رد الفعل لأنها تساويها بالشدة و لكن باتجاه مختلف.
مثال عملي
رجل كتلته 80 كغ، معلق بحبل، ماهي قوة شد الحبل إلى الأعلى علماً أن تسارع الجاذبية الأرضية 9.8 م / ثانية مربع.
يتم أولاً حساب قوة شد الحبل إلى الاسفل و هي تساوي:
F = m * a = 80 * 9.8 = 784 نيوتن.
و بما أن قوة شد الحبل إلى الأعلى تساوي قوة الشد إلى الأسفل، حيث أن القوتان متساويتان ب الشدة و متعاكستان بالاتجاه حسب قانون نيوتن الثالث فإن قوة الشد إلى الأعلى تساوي ( – 784) نيوتن.
ذات صلة:
أمثلة من الحياة اليومية عن قانون نيوتن الثالث
1- شخص يجلس على كرسي: يطبق هذا الشخص قوة على الكرسي تتجه باتجاه الاسفل، تتعلق هذه القوة بكتلة الشخص و تتناسب معها طرداً،
تقوم الكرسي بتطبيق قوة رد فعل تجاه الشخص، تتجه هذه القوة إلى الأعلى، و بسبب تساوي القوتين نجد الشخص في حالة راحة.
2- السباحة: عندما يسبح شخص فإنه يقوم بدفع الماء إلى الخلف عن طريق حركة يديه، يقوم الماء برد فعل بالاتجاه المعاكس ويدفع الشخص إلى الأمام.
وعندما يحاول الشخص أن يعوم فإنه يطبق قوة على المياه تتجه باتجاه الاسفل وتتناسب مع كتلة الشخص، وبالمقابل يقوم الماء بتطبيق قوة رد فعل على الشخص باتجاه الأعلى، ولذلك يبقى الشخص عائماً.
3- اصطدام كرة بالحائط: عندما يقوم مجموعة من الشبان بلعب كرة القدم نلاحظ أنه عند اصطدام الكرة بالحائط تطبق الكرة قوة على الحائط تسمى قوة الفعل، يقوم الحائط برد فعل وترتد الكرة بالاتجاه المعاكس.
4- فتح باب بقوة: عند فتح باب بقوة ودفعه يمكن أن يصطدم بالحائط، وعند اصطدامه تتولد قوة رد فعل من الحائط ويرتد الباب بالاتجاه المعاكس للحائط.
تتوقف شدة رد الفعل على قوة الفعل نفسها لأنها تساويها بالمقدار، ولكن تعاكسها بالاتجاه.
5- قوة الرياح: عندما يمشي شخص فإنه يتحرك باتجاه الأمام وبحركة مستقيمة منتظمة، كما يستطيع زيادة التسارع إذا لزم الأمر،
عندما تهب رياح قوية اتجاهها بعكس اتجاه الشخص فإنها تعيده إلى الوراء وهي قوة الفعل، يجب في هذه الحالة أن يبذل الشخص قوة أكبر حتى يقاوم الرياح وهي قوة رد الفعل.
6- القفز العالي: عند تطبيق قوة من القدمين على الأرض تتجه باتجاه الأسفل وهي قوة الفعل، تتولد قوة رد فعل بالاتجاه المعاكس أي إلى الأعلى وتتناسب شدتها مع قوة الفعل.
7- اصطدام شخص بجدار: عند اصطدام شخص بجدار نلاحظ أن الشخص يرتد إلى الخلف بقوة تتناسب مع سرعته التي يتحرك بها ومع كتلته، فكلما زادت كتلته وسرعته زادت قوة التصادم بينه و بين الحائط و بالتالي زادت قوة رد الفعل، حسب قانون نيوتن الثالث.
لمزيد من التوضيح حول قوانين نيوتن للحركة شاهد هذا الفيديو:
المراجع :
