Table of Contents
قانون نيوتن الأول والثاني والثالث ظهرت للمرة الأولى عام 1687، بعد أن قدم جاليليو و ديكارت علماً جديداً يحل محل نظرة أرسطو للعالم التي ورثها من الإغريق القدماء و التي تعتبر أن الشمس مركز الكون.
طور نيوتن ثلاث قوانين لشرح حركة الكواكب في المدارات، و أحدث آنذاك ثورة علمية. في القرن العشرين تم استبدال قوانين نيوتن بميكانيك الكم و النسبية و التي تعتبر من أهم قوانين الفيزياء.
تستخدم قوانين نيوتن في تفسير الظواهر الفيزيائية باستثناء الأجسام الصغيرة جداً مثل الالكترونات و الأجسام التي تتحرك بسرعة قريبة من سرعة الضوء.
قانون نيوتن الأول والثاني والثالث
تصف قوانين نيوتن الثلاث العلاقة بين الأجسام و القوى التي تطبق عليها، و هي تشكل أساساً في الميكانيك الكلاسيكي. و هي من أهم القوانين التي تفسر الظواهر الفيزيائية التي نصادفها في حياتنا اليومية.
سوف نتحدث فيما يلي عن قانون نيوتن الأول والثاني والثالث ونبدأ بالقانون الأول .
قانون نيوتن الأول
يسمى قانون نيوتن الأول بقانون القصور الذاتي، و ينص على أن الجسم يحافظ على حالته سواءً كان ثابتاً أو متحركاً، اي ان الجسم الثابت يبقى ثابتاً
والجسم المتحرك يحافظ على حركته بنفس السرعة و نفس الاتجاه ما لم تؤثر عليه قوى خارجية. و بعبارة أخرى يحاول الجسم أن يقاوم التغيير الذي يمكن أن يتعرض له نتيجة تطبيق قوة خارجية عليه،
يمكن أن يكون هذا التغيير في السرعة أو في الاتجاه أو في الحركة.
أي أن الجسم الذي يتحرك بسرعة 7 م / ثا باتجاه الشرق، سوف يحافظ على نفس سرعته و نفس اتجاهه ما لم يخضع لقوى خارجية.
تسمى مجموعة القوى الخارجية المطبقة على الجسم بالقوة الصافية و هي تساوي :
F = F1 + F2 +F3
على اعتبار أن F1, F2, F3 هي القوى المطبقة على الجسم.
تقاس القوة بالنيوتن.
ملاحظة :
يمكن أن تتماثل القوى في الاتجاه و في هذه الحالة يكون اتجاه القوة الصافية نفس اتجاه هذه القوى، و يمكن أن تكون القوى متعاكسة في الاتجاه،
و في هذه الحالة يكون اتجاه القوة الصافية من اتجاه القوة الأكبر.
مثال : تؤثر على جسم قوتان، الأولى شدتها 5 نيوتن و تتجه نحو الشرق، و الثانية شدتها 7 نيوتن و تتجه نحو الغرب.
ماهو اتجاه القوة الصافية التي تؤثر على الجسم؟
تتجه القوة الصافية باتجاه الغرب لأن القوة الثانية شدتها أكبر من الأولى.
عندما تكون محصلة القوى التي تؤثر على جسم ما صفراً، فإنه يبقى على حالته.
مثال : كتاب موضوع على طاولة، يبقى الكتاب ثابتاً طالما لم تطبق عليه أي قوة خارجية.
مثال آخر : سيارة تمشي بسرعة منتظمة، سوف تبقى على نفس الحركة و بنفس السرعة طالما محصلة القوى التي تخضع لها تساوي الصفر.
معادلة قانون نيوتن الأول
£ F = 0
أي محصلة القوى المطبقة على الجسم تساوي الصفر.
dv / dt = 0
تقاس v و هي تمثل السرعة ب م/ ثا. dv هي تغير السرعة.
تقاس t بالثانية و هي تمثل الزمن. dt هو تغير الزمن.
أي أن السرعة ثابتة و لا تتغير، و هذا يعني أن التسارع قيمته صفر.
ملاحظة هامة :
التسارع الصفري ليس بالضرورة أن يدل على أن الجسم ثابتاً و لا يتحرك، يمكن أن يكون الجسم في حالة حركة و لكن بسرعة منتظمة، و عندما تكون السرعة منتظمة فإن dv / dt قيمته صفر و بالتالي التسارع صفر.
ذات صلة :
أمثلة تطبيقية من الحياة اليومية على قانون نيوتن الأول
1- السباق : عندما يركض اللاعبون في السباق و يصلون إلى خط النهاية، نلاحظ أن كل لاعب بعد أن يصل إلى خط النهاية يستمر في الركض مع حركة متباطئة و يقطع عدة أمتار حتى يتوقف، و ذلك لأن اللاعب يميل إلى البقاء على نفس سرعته الأولى و هذا يفسره قانون نيوتن الأول.
2 – كوب من الماء موضوع على الطاولة : يبقى كوب الماء على وضعه طالما لم نؤثر عليه بقوى خارجية، عندما نقوم بتحريك الكوب باتجاه اليمين نلاحظ أن الماء ينسكب من الكوب بنفس الاتجاه، و عندما نحرك الكوب إلى اليسار، نلاحظ أن الماء ينسكب باتجاه اليسار، و ذلك لأن الماء يخضع لقانون نيوتن الأول.
3- ركاب في سيارة : تمشي السيارة بسرعة منتظمة و يظهر مطب في الطريق فجأة فتتوقف السيارة، نلاحظ أن الركاب يتقدمون إلى الأمام عند وقوف السيارة لأنهم يخضعون إلى قانون القصور الذاتي.
4- المروحة الكهربائية : عند تشغيل المروحة الكهربائية تبدأ بالدوران بحركة بطيئة ثم تتسارع تدريجياً لأنها في البداية تميل إلى البقاء في حالة سكون و تحاول مقاومة التغيير و هو الدوران،كذلك الأمر عند إطفاء المروحة، نلاحظ أنها تستمر في الدوران قليلاً من الوقت لأنها تقاوم التغيير و هو التوقف عن الدوران.
5- عند القفز من حافلة قبل أن تتوقف تماماً : عند وصول القدمين إلى الأرض نلاحظ أن الجسم يدفع الشخص بنفس اتجاه الحافلة لأنه يحاول مقاومة التغيير الذي حصل حسب قانون القصور الذاتي، يستمر ذلك قليلاً من الوقت و يمكن أن يسقط الجسم أرضاً.
6- إقلاع صاروخ : يكون الصاروخ في حالة سكون قبل تشغيل المحرك و ذلك لأنه لا يوجد قوى مطبقة عليه، عند تشغيل المحرك تتولد قوة دفع تجعل الصاروخ ينطلق في الفضاء.
ذات صلة :
قانون نيوتن الثاني
يصف قانون نيوتن الثاني التغيرات التي يسببها تطبيق قوة أو مجموعة قوى على حركة الجسم، و يسمى بقانون التسارع.
ينص قانون نيوتن الثاني على أن الجسم يكتسب تسارعاً عندما يتم تطبيق قوة عليه، و هذا التسارع يتناسب طرداً مع هذه القوة المطبقة عليه، و عكساً مع كتلة الجسم.
المعادلة الرياضية لقانون نيوتن الثاني
F = M * A
تمثل F القوة المطبقة على الجسم و تقاس بالنيوتن.
تمثل M كتلة الجسم و تقاس بالكغ.
يمثل A التسارع و يقاس ب م / ثانية مربع.
ما هو التسارع؟
يعرف التسارع بأنه التغير في السرعة بالنسبة للزمن، أي
A = dv / dt
تفسير قانون نيوتن الثاني
عندما نطبق قوتين متساويتين على جسمين مختلفين ب الكتلة، الأول كتلته 10 كغ و الثاني كتلته 20 كغ، فإن الجسم الذي يمتلك كتلة أقل و هي 10 كغ
سوف يكتسب تسارعاً أكبر من الجسم الذي كتلته 20 كغ، و ذلك لأن التسارع يتناسب عكساً مع الكتلة.
عندما نطبق قوتين، الأولى شدتها 5 نيوتن على جسم، و الثانية شدتها 9 نيوتن على نفس الجسم، فإن القوة الثانية تكسبه تسارعاً أكبر من القوة الأولى، و ذلك لأن التسارع يتناسب طرداً مع القوة.
عندما يتخذ التسارع قيمة سالبة فهذا يعني أن الجسم يتباطأ، أي أن سرعته تنقص.
أمثلة رياضية على قانون نيوتن الثاني
يوجد جسم كتلته بمقدار 5 كغ، تؤثر عليه قوتان، الأولى 10 نيوتن و اتجاه موجب، و الثانية 20 نيوتن و اتجاهه سالب. ما هو تسارع الجسم الآن؟
F = – 20 + 10 = – 10 نيوتن.
و هي قيمة القوة الصافية التي تؤثر على الجسم.
F = m * a
a = F / m = – 10 / 5 = – 2 م/ ثانية مربع
تشير الإشارة السالبة للتسارع أن الجسم سوف يتباطأ في حركته، أي أن سرعته سوف تصبح أصغر في القيمة.
مثال :
سيارة كتلتها 1200 كغ، و نريد أن تكتسب تسارعاً بمقدار 5 م / ثانية مربع. ماهي القوة التي يجب أن نطبقها على السيارة حتى تكتسب هذا التسارع؟
حسب قانون نيوتن الثاني فإن :
F = m * a = 1200 * 5 = 6000 نيوتن.
مثال آخر :
تم تطبيق قوة بمقدار 50 نيوتن على جسم، فاكتسب تسارعاً بمقدار 2 م / ثانية مربع. ما هي كتلة الجسم؟
حسب قانون نيوتن الثاني : F = m * a
m = F / a = 50 / 2 = 25 نيوتن.
ذات صلة :
أمثلة عملية على قانون نيوتن الثاني
1- اصطدام سيارة بشاحنة : عندما تصطدم سيارة بشاحنة تنشأ قوة تسمى قوة التأثير، تعتمد هذه القوة على سرعة كل من السيارة و الشاحنة و كتلة كل منهما و ذلك حسب قانون نيوتن الثاني f = m * a .
ولكن تضرر السيارة سوف يكون أكبر من تضرر الشاحنة لأن كتلة الشاحنة التي تؤثر على السيارة أكبر من كتلة السيارة، حيث أن القوة تتناسب طرداً مع الكتلة.
2- عربة التسوق : عندما تخرج الأم و الطفل إلى التسوق نلاحظ أن الأم تجر العربة بعد ملئها بما تحتاجه، أما الطفل لا يستطيع و ذلك لأن كتلة الطفل أقل من كتلة الأم و
بالتالي لا يستطيع الطفل أن يبذل القوة التي تبذلها الأم. كما أن جر العربة و هي فارغة أسهل من جرها و هي ممتلئة لأنها بعد ملئها سوف تكتسب كتلة أكبر و بالتالي تحتاج قوة أكبر لجرها.
3- كرة القدم : تنطلق كرة القدم عندما يقوم اللاعب بركلها، يتوقف تسارع الكرة على الاتجاه الذي طبقه اللاعب عليها، و تقطع مسافة تتعلق بالقوة المطبقة،كلما كانت القوة التي طبقها اللاعب أكبر، كلما اكتسبت الكرة تسارعاً أكبر و قطعت مسافة أطول.
4- دفع سيارة : عندما يقوم شخصان مختلفان ب الكتلة بدفع سيارة، الأول كتلته 100 كغ، و الثاني كتلته 75 كغ، فإن الشخص الذي يمتلك 100 كغ يستطيع أن يسرع السيارة أكثر من الشخص الآخر لأن قانون نيوتن الثاني F = m * a
حيث أن القوة تزداد بازدياد الكتلة، و عند ازدياد القوة يزداد التسارع.
كما أن الشخص نفسه الذي يزن 100 كغ، يستطيع دفع سيارة بشكل أسرع من دفع شاحنة لأن كتلة الشاحنة أكبر من كتلة السيارة،و ربما إذا لم يستطع دفعها سوف يحتاج إلى مساعدة شخص أو أكثر، و عندها تكون القوة المطبقة على الشاحنة هي مجموع القوى التي يطبقها عليها الأشخاص.
5- الدراجة : تكون الدراجة في حالة سكون قبل أن تطبق عليها أي قوة خارجية، عندما يبدأ راكب الدراجة بالضغط على الدواسات الخاصة بالدراجة تتولد قوة دفع،فتكتسب الدراجة تسارعاً يتعلق بقيمة القوة المطبقة على الدراجة، فكلما زادت القوة زادت سرعة الدراجة.
قانون نيوتن الثالث
يسمى قانون نيوتن الثالث بقانون الفعل و رد الفعل، ينص قانون نيوتن الثالث على أنه إذا قام جسم بتطبيق قوة على جسم آخر، فإن الجسم الآخر يطبق قوة على الجسم الأول تساويها بالمقدار و تعاكسها بالاتجاه.
بمعنى آخر : إذا طبق جسم S على جسم D قوة مقدارها Fsd بالاتجاه الموجب، فإن الجسم D يطبق قوة على الجسم S مقدارها Fds بالاتجاه السالب،
و تكون المعادلة الرياضية لقانون نيوتن الثالث هي :
Fsd = – Fds
تتعلق القوة Fsd التي تسمى قوة الفعل بكتلة الجسم و تسارعه، فكلما زادت كتلة الجسم وتسارعه زادت قوة الفعل و بالتالي قوة رد الفعل.
ذات صلة:
أمثلة تطبيقية على قانون نيوتن الثالث
1- القفز : عندما تقفز فإننا نطبق قوة على الأرض باتجاه الأسفل، تتعلق هذه القوة بكتلة الشخص و تسارعه في القفز، و هذه هي قوة الفعل، تكون قوة رد الفعل بأن الأرض تقوم بدفع الشخص إلى الأعلى بنفس مقدار قوة الفعل و بالاتجاه المعاكس.
2- الاستلقاء في السرير : يقوم الشخص بتطبيق قوة على السرير باتجاه الأسفل، كلما زادت كتلة الشخص زادت القوة و تسمى قوة الفعل، يقوم السرير بتطبيق قوة رد الفعل على الشخص بنفس مقدار قوة الفعل و باتجاه الأعلى.
3- ركل كرة باتجاه جدار : عندما يقوم شخص بركل كرة باتجاه الجدار فإنه يطبق قوة تتعلق بكتلته و بتسارعه، تتجه القوة باتجاه الجدار
و يقوم الجدار عند اصطدام الكرة به بتطبيق قوة بنفس مقدار قوة الفعل و بالاتجاه المعاكس فنلاحظ ارتداد الكرة باتجاه الشخص.
4- ساعة الحائط : عندما نثبت ساعة الحائط على مسمار، فإن الساعة تطبق قوة على المسمار تتناسب مع كتلتها، و تتجه باتجاه الأسفل بفعل الجاذبية الأرضية،
يقوم المسمار بتطبيق رد فعل على ساعة الحائط بنفس مقدار الفعل و لكن باتجاه الأعلى اي في الاتجاه المعاكس، و لذلك نجد الساعة ثابتة في مكانها.
5- شخص يتكئ على صخرة : يقوم الشخص بتطبيق قوة على الصخرة تتعلق هذه القوة بكتلة الشخص و تسمى الفعل، تقوم الصخرة بتطبيق قوة رد فعل بالاتجاه المعاكس و بنفس مقدار الفعل. و على الرغم من اختلاف وزن الأشخاص إلا أن النتيجة واحدة و ذلك لأن كتلة الصخرة أضعاف كتلة الأشخاص،
كما يستطيع مجموعة من الأشخاص الاتكاء على نفس الصخرة لأن مجموع أوزان الأشخاص أقل من وزن الصخرة.
6- لعبة شد الحبل : عندما يتنازع فريقين في لعبة شد الحبل، يقوم الفريق الأول بتطبيق قوة باتجاه اليمين مثلاً تسمى قوة الفعل و تتناسب مع الكتلة الكلية للفريق،
أي مجموع الكتل لأعضاء الفريق حيث أن m = m1 + m2 + m3، و تتعلق أيضا هذه القوة ب التسارع المطبق من قبل الفريق، نسمي هذه القوة F1.
يقوم الفريق الثاني بتطبيق قوة باتجاه اليسار أي بالاتجاه المعاكس، تسمى هذه القوة بقوة رد الفعل و تتناسب شدتها مع الكتلة الكلية لأعضاء الفريق الثاني و هي مجموع الكتل،
كما تتناسب مع التسارع المطبق على الحبل. تسمى هذه القوة F2.
عندما تتساوى F1 و F2 ب الشدة، نلاحظ أن الحبل لا يتحرك و يبقى ثابتاً في مكانه، و عندما تتغلب إحدى القوتين على الأخرى فإن الحبل سوف يتحرك باتجاه القوة الأكبر، أي إذا كانت F1>F2 فإن الحبل سوف يذهب باتجاه اليمين.
7- حركة الحصان : عندما يمتطي الفارس حصانه فإنه يطبق عليه قوة بمقدار معين و هي قوة الفعل، يقوم الحصان برد فعل على هذه القوة و يبدأ بالتحرك، كلما زادت قوة الفارس زادت بالمقابل سرعة الحصان.
8- عامل يحمل على ظهره جسماً ثقيلاً : يقوم الجسم الثقيل بتطبيق قوة على العامل باتجاه الاسفل، يقوم العامل بتطبيق قوة معاكسة كرد فعل باتجاه الأعلى،
لذلك نلاحظ ثبات الجسم على ظهر العامل. و لكن تلعب كتلة الجسم دوراً أساسياً في قوة رد الفعل، فإذا كانت كبيرة و أكبر من كتلة العامل،
نجد أن ظهر العامل ينحني باتجاه الأمام، لأن القوة تتناسب طرداً مع الكتلة و كلما زادت الكتلة يجب زيادة القوة المطبقة.
إذا كنت ترغب في فهم المزيد حول قانون نيوتن الأول والثاني والثالث شاهد هذا الفيديو:
ذات صلة:
المراجع :
