قوانين نيوتن وتطبيقاتها

تفسر قوانين الحركة الثلاثة لإسحاق نيوتن حركة الأجسام الضخمة وكيفية تفاعلها. تم التحقق من هذه القوانين الثلاثة من خلال تجارب عديدة على مر القرون الثلاثة الماضية. وما زالت هذه القوانين مستخدمة على نطاق واسع حتى يومنا هذا لوصف أنواع الأشياء والسرعات التي نواجهها في الحياة اليومية. إنها تمثل الأساس لما يعرف الآن بالميكانيكا الكلاسيكية، وهي دراسة الأجسام الضخمة التي تتجاوز المقاييس الصغيرة التي تتناولها الميكانيكا الكم، والتي تتحرك بسرعات أبطأ من السرعات العالية جدا التي تتناولها الميكانيكا النسبية.

قانون نيوتن للحركة

: في دراسة قوانين نيوتن الثلاثة، عند صياغته لهذه القوانين، قام نيوتن بتبسيط معالجته للأجسام الضخمة عن طريق اعتبارها نقاطا رياضية بدون حجم أو دوران. وهذا يسمح له بتجاهل عوامل مثل الاحتكاك ومقاومة الهواء ودرجة الحرارة وخصائص المواد وما إلى ذلك، والتركيز على الظواهر التي يمكن وصفها فقط من خلال الكتلة والطول والزمن. وبالتالي، لا يمكن استخدام القوانين الثلاثة لوصف سلوك الأجسام الكبيرة الصلبة أو القابلة للتشوه بدقة. ومع ذلك، في كثير من الحالات، توفر هذه القوانين تقديرات تقريبية دقيقة بشكل مناسب

قانون نيوتن الأول

ينص القانون الأول له على أن الجسم يبقى في حالة سكون أو حركة ثابتة مالم تتأثر بقوة خارجية غير متوازنة .

أي  أن الأشياء في حالة الراحة تميل إلى البقاء في حالة راحة ، والأشياء المتحركة تميل إلى البقاء في حالة حركة ، أن كل جسم سيبقى في حالة سكون أو في حركة موحدة في خط مستقيم ما لم يُجبر على تغيير حالته بفعل قوة خارجية ، بعبارة أخرى ، هناك شيء يسمى “القصور الذاتي” ، وهو مقياس لمقاومة الجسم للحركة.

الفكرة الرئيسية هنا هي أنه إذا لم يكن هناك قوة صافية تؤثر على جسم ما (إذا قمنا بإلغاء جميع القوى الخارجية بعضها البعض) ، فإن الكائن سيحتفظ بسرعة ثابتة. إذا كانت هذه السرعة تساوي الصفر ، فسيظل الجسم في حالة سكون. إذا تم تطبيق قوة خارجية ، ستتغير قانون السرعة بسبب القوة

تستمر الكرة التي تتدحرج على سطح أفقي في الحركة ما لم يتم إيقافها بواسطة قوة خارجية، وبالمثل، يظل الكتاب الموضوع على المنضدة في مكانه ما لم يتم تحريكه بواسطة قوة خارجية.

 كانت هذه الفكرة جديدة ؛ حيث كان يعتقد معظم العلماء سابقًا أن الأشياء الفردية لديها إما ميل طبيعي للحركة أو عدم الحركة، ولكن نيوتن قلب هذه الفكرة رأسًا على عقب، حيث أصبحت جميع الأشياء تمتلك مقاومة طبيعية للحركة الجديدة، ويمكن أن يتطلب الأمر قوة لجعلها تتغير 

قانون نيوتن الثاني

قوانين السرعة والتسارع، عندما نتحدث عن القوى، هذا هو قانون نيوتن الثاني الذي يشرح قانون الحركة الثاني وما يحدث لجسم ضخم عند تأثير قوة خارجية عليه. ينص القانون على أن `القوة المؤثرة على جسم ما تساوي كتلته مضروبة في تسارعه`. ويتم تعبير عن هذا القانون بصيغة رياضية بمعادلة F = ma، حيث تمثل F القوة و m الكتلة و a التسارع. تشير الأحرف الغامقة إلى أن القوة والتسارع هما كميات متجهة، أي لهما قيمة واتجاه. يمكن أن تكون القوة قوة واحدة، أو يمكن أن تكون مجموعة من القوى المتجهة، وتعرف بالقوة الناتجة بعد جمع جميع القوى

عندما يتأثر جسم ضخم بقوة ثابتة، يحدث تسارع للجسم، أي تغير في سرعته، بمعدل ثابت. في الحالات الأبسط، تؤدي القوة التي تؤثر على جسم ساكن إلى تسارعه في اتجاه القوة. ومع ذلك، إذا كان الجسم بالفعل متحركا، أو إذا تم عرض هذا الوضع من إطار مرجعي متحرك، قد يبدو أن الجسم يتسارع أو يتباطأ أو يغير اتجاهه حسب اتجاه القوة والاتجاهات التي يتبعها الجسم والإطار المرجعي المتحرك بالنسبة لبعضهما.

يتم دائمًا مشاهدة تطبيق القانون الثاني عندما نحاول تحريك جسم ما، مثل إيقاف كرة متحركة تتدحرج على الأرض أو دفع كرة لجعلها تتحرك.

هذا يتعارض أيضا مع الحكمة السائدة التي كانت تعتقد أن القوى المطبقة على جسم ما تمنحه السرعة. هذا صحيح جزئيا، لأن التسارع هو تغيير في السرعة، ولكنه لا يعكس الصورة الأكبر التي كان نيوتن يسعى وراءها. بمجرد التسارع إلى سرعة معينة، سيحافظ الجسم على هذه السرعة ما لم يتم تطبيق قوة جديدة لتسريعه أو إبطائه.  

قانون نيوتن الثالث

ينص القانون الثالث على أن لكل فعل (قوة) في الطبيعة رد فعل متساوٍ ومعاكس. بمعنى آخر ، إذا كان الكائن A يمارس قوة على الكائن B ، فإن الكائن B أيضًا يمارس قوة مساوية على الكائن A ، لاحظ أن القوى تمارس على كائنات مختلفة ، يمكن استخدام القانون الثالث لشرح توليد قوة الرفع بواسطة الجناح وإنتاج الدفع بواسطة محرك نفاث.

إذا كان أحد الأجسام أكبر بكثير من الآخر، خاصة عند إرسائه على الأرض، فإن تسارع الجسم الثاني سيتم نقله تقريبا بالكامل، ويمكن تجاهل تسارع الجسم الأول بأمان. على سبيل المثال، عندما تلقي الكرة البيسبول إلى الغرب، لن تضطر إلى التفكير في أنك تسببت بزيادة سرعة دوران الأرض بشكل طفيف أثناء وجود الكرة في الهواء. ومع ذلك، إذا كنت تقف على الزلاجات وألقيت كرة البولينج إلى الأمام، ستتحرك للخلف بسرعة ملحوظة.  

يجعل تطبيق القانون الثالث من الصعب المشي على سطح زلق، بينما يسهل المشي على سطح خشن، وذلك لأن القوة الأفقية التي تمارس على الأرض لدفع الجسم إلى الخلف، تواجه قوة رد فعل من الأرض الخشنة، والتي تعرف عادة بالاحتكاك، بينما يفتقر السطح الزلق إلى هذا الاحتكاك.

تطبيقات على قانون نيوتن الأول

تعتمد فكرة عمل وسائد الهواء في السيارات على قانون نيوتن الأول، حيث تعمل على حماية السائق من الاصطدام بالمقود. عندما تسير السيارة بسرعة عالية وتحمل ركابا، ويحدث اصطدام أو يتم ضغط الفرامل فجأة، تتوقف السيارة نتيجة تأثير قوة خارجية عليها، وهي الاصطدام أو الاحتكاك. ومع ذلك، يستمر الركاب في الحركة بنفس السرعة التي كانت تسير بها السيارة وفي نفس الاتجاه، ويصطدمون بما هو أمامهم. وهذا ما يعرف بالقصور الذاتي، وهو عدم قدرة الجسم على إيقاف نفسه بمفرده أو التحول من حالة السكون إلى الحركة بدون تأثير خارجي. ولذلك تم تركيب حزام الأمان في السيارات ليعمل كقوة خارجية تمنع اندفاع الركاب .

تطبيق قوانين نيوتن للحركة

يمكن تطبيق قوانين نيوتن للحركة في عدة حالات لحل مشاكل الحركة، حيث تتضمن بعض المسائل متجهات قوة متعددة تعمل في اتجاهات مختلفة على جسم معين، وتحتوي بعض مسائل الحركة على العديد من الكميات الفيزيائية مثل القوى والتسارع والسرعة والموضع .

يمكن شرح حركة الطائرات في الجو ووصفها من خلال المبادئ الفيزيائية التي اكتشفها السير إسحاق نيوتن قبل أكثر من 300 عام، ويتم تطبيق هذه القوانين على ديناميكيات الهواء في شرائح مختلفة.

بعض المسائل تحتوي على متجهات قوة متعددة تعمل في اتجاهات مختلفة على جسم ما، ومن الأفضل رسم مخططات وحل جميع متجهات القوة في مكونات أفقية ورأسية، ورسم مخطط الجسمالحر، كما يجب تحليل الاتجاه الذي يتسارع فيه الجسم لتحديد ما إذا كان Fnet = ma أو Fnet = 0.

لا يعني وزن الجسم دائمًا القوة العمودية المؤثرة عليه، حيث إذا اتجه الجسم عموديًا فإن القوة العمودية قد تكون أقل أو أكبر من وزن الجسم، وإذا كان الجسم على سطح مائل، فإن القوة العمودية دائمًا ما تكون أقل من الوزن الكلي للجسم.

تحتوي بعض المسائل على العديد من الكميات الفيزيائية، مثل القوى أو التسارع أو السرعة أو الموضع، ويمكن تطبيق مفاهيم من علم الحركة والديناميكا لحل هذه المشاكل.

الاحتكاك

يمثل الاحتكاك قوة تتعارض معحركة نظامين أو محاولة حركتهما، ويتناسب الاحتكاك البسيط مع القوة الطبيعية N التي تدعم النظامين.

تتحدد قوة الاحتكاك الحركي بين مادتين متحركتين بالنسبة لبعضهما البعض باستخدام معامل الاحتكاك الحركي. ويعتمد هذا المعامل على كلا المواد ويكون دائمًا أقل من معامل الاحتكاك الساكن.

قوة الجاذبية

قوة الجاذبية المركزية F⃗ c هي قوة “تسعى إلى المركز” تشير دائمًا إلى مركز الدوران. إنه عمودي على السرعة الخطية وله المقدار

Fc = ماك. (6..S.6)

الإطارات المرجعية الدورية والمتسارعة ليست ذاتية، بل هناك حاجة لقوى القصور الذاتي، مثل قوة كوريوليس، لشرح الحركة في مثل تلك الإطارات.

قوة السحب وسرعة المحطة

عندما يتحرك الجسم في سائل تعارض الحركة، يتأثر بقوى السحب، ويتم حساب قوة السحب التي تؤثر على الأجسام الكبيرة مثل كرة البيسبول التي تتحرك بسرعة في الهواء باستخدام معامل السحب ومساحة الجسم التي تواجه السائل وكثافة السائل.

بالنسبة للأجسام الصغيرة مثل البكتيريا التي تتحرك في وسط أكثر كثافة مثل الماء، فإن قوة السحب تحكم بموجب قانون ستوكس.