Table of Contents
تقريرنا الحالي عبارة عن شرح وتفسير قانون نيوتن الأول وأنواع القصور الذاتي مع إعطاء الكثير من الأمثلة عليه من الحياة اليومية.
اعتقد الناس قديماً قبل اكتشافات جاليليو و نيوتن أن الأشياء تتوقف عن الحركة من تلقاء ذاتها، و لأن لديها ميلاً طبيعياً للقيام بذلك.
لم يأخذ هؤلاء الأشخاص في الحسبان القوى التي تؤثر على الأجسام بما في ذلك قوة الاحتكاك و قوة الجاذبية و مقاومة الهواء و القوى الأخرى.
الكواكب التي تتحرك في الفضاء تحافظ على حركتها عندما لا يوجد أي تأثيرات خارجية، و يحافظ الكوكب على حركته بالسرعة نفسها حتى تظهر قوة خارجية ربما تزيد من هذه السرعة و ربما تقلل من ذلك. ينطبق ذلك على الأجسام المحيطة بنا حيث أنها تحافظ على ثباتها أو حركتها عند عدم وجود قوى خارجية تؤثر عليها.
تم نشر قوانين نيوتن للمرة الأولى عام 1687، و هي تعتبر أساس الميكانيك الكلاسيكي، تشرح قوانين نيوتن الكثير من الظواهر الفيزيائية التي نشاهدها في حياتنا اليومية دون أن نحاول تفسيرها، كما تفسر قوانين نيوتن حركة الكواكب بالإضافة إلى قانون الجاذبية.
قانون نيوتن الأول
يوجد ثلاث قوانين فيزيائية تصف العلاقة بين الجسم و القوى التي تؤثر عليه، سوف نتحدث في هذا المقال عن قانون نيوتن الأول.
ساعد قانون نيوتن الأول على تفسير الكثير من الظواهر الفيزيائية التي نصادفها يومياً دون أن نكون قادرين على فهمها و تفسيرها.
ينص قانون نيوتن الأول على أن الجسم الساكن يبقى ساكناً، و الجسم المتحرك يبقى في حالة حركة و بنفس السرعة ما لم يتم التأثير على الجسم بقوى خارجية.
أي أن الأشياء تميل إلى الاستمرار فيما تفعله، إذا كان الجسم في حالة راحة يستمر في حالة الراحة نفسها، و اذا كان يتحرك بسرعة 10 م / ثا باتجاه الغرب،
فسوف يستمر في هذه الحركة بنفس السرعة 10 م/ ثا و بنفس الاتجاه إلى الغرب طالما لم يتم التدخل بقوة غير متوازنة.
ينطبق قانون نيوتن الأول طالما القوى متوازنة.
المعادلة الرياضية لقانون نيوتن الأول:
F = 0
dv / dt = 0
F محصلة القوى تقاس ب النيوتن.
v السرعة تقاس ب م / ثا
t الزمن يقاس ب الثانية.
تفسير وشرح قانون نيوتن الأول
يمكن تفسير قانون نيوتن الأول بأن الجسم الثابت في مكانه يبقى ثابتاً ما لم يتم تحريكه بفعل قوى خارجية، مثل كتاب موجود على الطاولة، سوف يبقى في مكانه ما لم يتدخل شخص ما و يغير مكانه.
أما إذا كان هذا الجسم الثابت ورقة مثلاً، فربما تتحرك من مكانها بفعل الرياح، و في هذه الحالة تعتبر الرياح هي القوة الخارجية.
من المثالين السابقين يتبين لنا أهمية الكتلة في قانون نيوتن الأول، حيث أن الكتاب يمتلك كتلة أكبر من كتلة الورقة، و لذلك لا يمكن للرياح على افتراض أنها ليست قوية ان تزيح الكتاب من مكانه،
و لكنها تستطيع إزالة الورقة، اي ان الامور نسبية و تتعلق بالكثير من العوامل.
كما يمكن تفسير قانون نيوتن بأن الحركة لا تؤثر على الجسم الذي يتحرك بسرعة معينة إذا لم يتم تدخل خارجي بقوة إضافية،
مثال على ذلك : اذا كنت تمشي باتجاه معين سوف تبقى على هذه الحالة إذا لم يحدث شيئ ما مثل ظهور سيارة في طريقك تجعلك تتوقف أو ظهور كلب ينبح يجعلك ربما تركض،أو اللقاء بصديق في الطريق و التوقف معه لبضع دقائق ل إلقاء التحية ثم متابعة الطريق و المشي.
مثال آخر : عندما نملأ إناء بالماء و نضعه على الطاولة، يبقى الماء على وضعه في حالة سكون إذا لم يكن هناك قوة غير متوازنة خارجية. ينسكب الماء من الاناء عند تحريك الإناء من مكانه،
أو إذا كنا نحرك الإناء على الطاولة و توقفنا بشكل مفاجئ، أو إذا كنا نحرك الإناء باتجاه معين و قمنا بتغيير الاتجاه.
مثال آخر : عندما نضع فنجان قهوة مملوء على الحافة الأمامية للسيارة و هي في وضع سكون، عندما تسير السيارة سوف تنسكب القهوة من الفنجان،
و اذا كانت السيارة تسير بسرعة معينة و ازدادت هذه السرعة سوف تنسكب القهوة، و اذا غيرت السيارة اتجاه مسيرها سوف تنسكب القهوة.
إن بقاء الجسم في حالة راحة أو البقاء في حالة حركة بسرعة ثابتة تسمى حالة القصور الذاتي. غالباً ما يشار إلى قانون نيوتن الأول بقانون القصور الذاتي.
ذات صلة:
ماهو قانون القصور الذاتي؟
تمت صياغة قانون القصور الذاتي لأول مرة بواسطة جاليليو جاليلي، و هو يعتبر نقطة البداية للميكانيك الكلاسيكي.
استنتج جاليليو قانون القصور الذاتي من تجاربه مع الكرات التي تتدحرج إلى أسفل المسارات المائلة، و كانت مهمة جاليليو الأساسية هي
شرح أن الأرض تدور حول محورها و تدور حول الشمس و لذلك نحن لا نشعر بهذه الحركة و لذلك تبدو لنا الأرض في حالة راحة.
أنواع القصور الذاتي في قانون نيوتن
يعرف القصور الذاتي بأنه الميل الطبيعي للجسم في مقاومة تغيير الحالة التي هو عليها، و هو ثلاثة أنواع :
1- قصور الراحة :
عندما يكون الجسم ثابتاً في مكانه فإنه يبقى بهذه الحالة دون حركة ما لم تأتي قوة خارجية و تحركه.
مثال على ذلك : المحفظة التي يضعها الطالب في غرفته بعد العودة من المدرسة، سوف تبقى هذه المحفظة في مكانها طالما لم تتعرض لأي قوة خارجية.
مثال آخر : كرة موضوعة على الأرض في حديقة المنزل : سوف تبقى الكرة في مكانها دون حركة إذا لم تتعرض ل تأثير خارجي، عند اشتداد الهواء سوف تتحرك الكرة من مكانها و تأخذ اتجاه الهواء نفسه.
2- قصور الحركة :
يبقى الجسم المتحرك على حالته و بنفس السرعة ما لم تؤثر عليه قوة إضافية تزيد من هذه السرعة أو تقللها.
على سبيل المثال : سيارة تسير بسرعة منتظمة على الطريق العام، عند عدم ظهور قوة خارجية فإن السيارة حسب قانون نيوتن الأول سوف تبقى على نفس الحركة و بنفس السرعة و نفس الاتجاه، ولكن على فرض ظهر كلب في الطريق و هو يحاول الذهاب إلى الجانب الآخر، في هذه الحالة سوف يحاول السائق إيقاف السيارة بسرعة حتى لا يصطدم بالكلب، وهذه تعتبر قوة خارجية.
عند وقوف السيارة بشكل مفاجئ سوف يسبب ذلك ارتداد السائق و من معه في السيارة إلى الخلف لأنهم يضعون إلى قانون نيوتن الأول أو قانون القصور الذاتي.
كما يمكن لأحد الأشخاص الذين يتواجدون في السيارة أن تسقط منه عن طريق الخطأ أحد الأغراض الشخصية و هو يمد يده من نافذة السيارة، سوف يضطر السائق إلى العودة إلى الوراء ببطئ لاستعادة ما سقط.
3- قصور الاتجاه :
يبقى الجسم المتحرك في نفس الاتجاه ما لم تتدخل قوة خارجية تغير هذا الاتجاه.
مثال على ذلك : طالب يسير كل يوم في نفس الاتجاه عند ذهابه من المنزل إلى المدرسة، يوماً ما كان هناك إصلاحات في الطريق، اضطر الطالب إلى تغيير الاتجاه و اتباع طريق مختلف للوصول إلى المدرسة.
يمكن أن تكون لعبة شد الحبل مثالاً حياً عن قصور الاتجاه : إذا كانت القوى في الطرفين متساوية يبقى الحبل ثابتاً، و اذا كانت مختلفة فإن الحبل سوف يتجه باتجاه القوة الأكبر.
القوى التي تؤثر على الأجسام
يقاس القصور الذاتي لجسم ما بكتلته، بالإضافة إلى دور القوة الخارجية و شدتها، فإذا كانت أكبر من كتلة الجسم أثرت فيه، و اذا كانت أقل فلن يكون لها اي تأثير.
حيث أن تحريك صخرة كبيرة من مكانها لا يمكن مقارنته بحركة كرة السلة، كلما ازدادت كتلة الجسم زادت صعوبة تسارعه.
عندما نشاهد رجلاً يحمل بيده كيساً يزن 4 كغ، نلاحظ أنه يحمل الكيس بكل سهولة و بساطة، و نلاحظ أنه يمشي بخطى ثابتة، و ذلك لأن كتلة الكيس صغيرة جداً بالمقارنة مع كتلة الرجل،
و لكن الكيس نفسه عندما يحمله طفل بعمر 5 سنوات، نلاحظ أنه يميل باتجاه يده التي تحمل الكيس لكي يحافظ على توازنه في المشي و هذا يدل على قانون القصور الذاتي.
يخضع الجسم إلى مجموعة من القوى الخارجية التي تتحكم به، يعتمد مصير هذا الجسم على محصلة هذه القوى.
إذا كانت محصلة القوى صفراً فهذا يعني أن الجسم سوف يبقى على حاله، و إذا كانت مختلفة عن الصفر فهناك احتمالان : الأول أن تكون محصلة القوى الخارجية إيجابية و هذا يدفع الجسم إلى الأمام، و الثاني أن تكون محصلة القوى سلبية و هذا يعيد الجسم إلى الخلف.
ذات صلة :
- قوانين نيوتن للحركة: فيديو مع شرح وتفسير بالأمثلة من الحياة اليومية
- قانون نيوتن الثالث: شرح عملي ومبسط بالأمثلة مع فيديو توضيحي
أمثلة من الحياة اليومية على قانون نيوتن الأول
1- تستمر المروحة الكهربائية بالدوران لفترة قصيرة بعد انقطاع التيار الكهربائي.
2- عندما تتوقف الحافلة فجأة بعد أن تكون مسرعة، يندفع الناس جميعهم إلى الأمام بشكل تلقائي لأنهم يخضعون لقانون نيوتن الأول أو قانون القصور الذاتي.
3- عندما تكون في قطار يسير بسرعة، و يوجد فيه لعبة معلقة في الهواء، سوف ترتفع هذه اللعبة بشكل مستقيم و تنزل لأنها تعاني من القصور الذاتي.
4- عندما تقفز من حافلة تتحرك، يبقى جسمك يتحرك في نفس الاتجاه عند اصطدام قدميك بالأرض، و بعد فترة قصيرة تتوقف أو ربما تسقط، و يكون سقوطك في الاتجاه الذي كنت تتحرك فيه و هو اتجاه الحافلة.
5- إذا كان هناك كرة على سطح مائل و تم إطلاقها فإنها سوف تتدحرج على المنحدر لأنها تعاني من القصور الذاتي.
6- البيسبول في حالة راحة : تبقى الكرة في حالة سكون إذا لم تطبق عليها قوة خارجية، تعتمد المسافة التي تقطعها الكرة على مقدار القوة المؤثرة عليها.
7- عند محاولة إخراج الكاتشب من العبوة نجد صعوبة في ذلك، نقوم بقلب الزجاجة رأساً على عقب لكي يندفع الكاتشب إلى الأسفل بسرعة ثم يتوقف.
8- أثناء التزلج ( عربة أو دراجة) : عندما يصطدم المتزلج بصخرة أو أي شيئ آخر يوقف لوح التزلج ، سوف يطير إلى الأمام بعيداً عن العربة أو الدراجة، لأنه يخضع لقانون نيوتن الأول.
ذات صلة :
أمثلة على قانون نيوتن الأول وتطبيقه في الحياة اليومية
1- حركة الرياضي قبل القفز : يركض الرياضي مسافة قصيرة قبل الوثب الطويل أو العالي، يقوم اللاعب عندما يركض هذه المسافة بتجهيز جسده للحفاظ على الحركة فيه، و هذا يساعده على القيام بقفزة مرتفعة أو قفزة طويلة.ينطبق ذلك على اللاعب الرياضي قبل رمي الكرة، حيث يركض مسافة قصيرة في اتجاه رمي الكرة.
2- عداء الماراثون : لا يستطيع عداء الماراثون إيقاف نفسه عند وصوله إلى خط النهاية، حيث نجده يتجاوز الخط بعدة أمتار و هو يتباطأ تدريجياً، و ذلك بفعل قانون القصور الذاتي للحركة أو قانون نيوتن الأول، حيث يقاوم العداء الإنهاء المفاجئ للحركة و يحاول الحفاظ على حالته و هي الركض.
3- كرة تتدحرج على الأرض : حسب قانون نيوتن الأول فإن الكرة التي تتدحرج على الأرض يجب أن تحافظ على حركتها بنفس السرعة و نفس الاتجاه حتى اللانهاية في حال لم تؤثر عليها قوة خارجية، و لكن قوة الاحتكاك بين الكرة و الأرض تؤدي إلى تباطؤ الكرة تدريجياً ثم وقوفها.
4- جسم ألقي في الفضاء الخارجي : عندما نلقي جسماً في الفضاء الخارجي فإنه يميل إلى التحرك في اتجاه اللانهاية، و حيث أن الفضاء الخارجي يفتقر إلى البيئة و الهواء و قوة الجاذبية فإن الجسم لن يتلقى أي مقاومة للحركة و لن يغير مساره حتى يصطدم بجسم سماوي أو نيزك أو يدخل في مجال الجاذبية لأحد الكواكب و حينها يغير مساره.
5- نفض الغبار عن السجاد : عندما نريد إزالة الغبار عن السجادة، يتم تعليقها على سلك معدني متين أو حائط منخفض، ثم نستخدم العصا لضرب السجادة بشكل متكرر، يؤدي ذلك إلى تحريك السجادة، عندها تتحرك جزيئات الغبار مع الهواء أو تسقط على الأرض بفعل قوة الجاذبية، و هذا يدل على قانون القصور الذاتي أو قانون نيوتن الأول.
6- هز شجرة : تتواجد الأوراق على الشجرة في وضع الراحة، عندما نهز الشجرة تتساقط الأوراق على الأرض بفعل الجاذبية.
7- انطلاق سيارة : عندما تنطلق سيارة فجأة، يعود الركاب إلى الخلف بشكل تلقائي، حيث أن السيارة تتحرك إلى الأمام و الجسم يحاول البقاء على حالة الراحة، مما يؤدي إلى عودة الجسم إلى الوراء كرد فعل.
8- كتاب موضوع على سطح طاولة : يبقى الكتاب ثابتاً على الطاولة و يحافظ على شكله و حجمه و موضعه حتى تطبق عليه قوة خارجية مثل أن يتم جعل سطح الطاولة مائلاً،حينها سوف ينزلق الكتاب بفعل تغيير اتجاه السطح ، أو أن يقوم شخص ما بأخذ الكتاب إلى مكان آخر أو إزاحته إلى جهة أخرى من سطح الطاولة.
9- المظلي الذي يقفز من الطائرة : الطائرة تتحرك أفقياً في الجو، و المظلي يقفز منها بسرعة أولية تساوي الصفر، يؤثر وزن المظلي بشكل عمودي إلى الأسفل، 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 مم وزن المظلي تصبح القوة التي تؤثر على المظلي صفراً، يتوقف بعدها التسارع و تصبح السرعة ثابتة، عندها يفتح المظلي مظلته.تزداد مقاومة الهواء و تصبح أكبر من وزن المظلي فيبدأ المظلي بالتباطؤ و يصل إلى الأرض بسرعة نهائية لا تتجاوز بضعة ميللي ثانية.
10- إقلاع صاروخ من منطقة الإطلاق : قبل انطلاق الصاروخ تكون سرعته صفراً و الصاروخ في حالة سكون، عند إشعال المحرك تتولد قوة دفع معاكسة لوزن الصاروخ، عندما تصبح قوة الدفع أكبر من وزن الصاروخ يبدأ الصاروخ بالارتفاع.
11- الوسادة الهوائية في السيارة : وظيفة هذه الوسادة هي أن تنتفخ عند وقوع حادث و تمنع اصطدام رأس السائق ب الزجاج الأمامي. عندما يقع حادث في سيارة تحتوي على وسادة هوائية أمامية يعمل مفتاح كهربائي يسبب تفاعل كيميائي، و ينتج عن ذلك مادة غازية تملأ الوسادة الهوائية و تحمي رأس السائق
استنتاجات :
تساعد الأمثلة المذكورة في هذا المقال على فهم وشرح قانون نيوتن و تفسير الكثير من الظواهر الفيزيائية التي تحيط بنا في حياتنا اليومية.
وإذا أردت التوسع في معرفة هذا القانون أكثر شاهد هذا الفيديو:
المراجع :
