قوانين نيوتن الثلاث

تعتبر قوانين نيوتن وتطبيقاتها من أهم ما يناقش في علم الفيزياء التقليدي، حيث تمثل مجموعة من القوانين التي وضعها العالم نيوتن، وتعتبر أبرز قوانين علم الفيزياء. تهدف هذه القوانين إلى دراسة حركة الأجسام وربط القوى التي تؤثر على الجسم بحركته. نشر نيوتن قوانينه لأول مرة في كتابه “Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica”، وهو الأساس الرياضي للفلسفة الطبيعية، وصدر عام 1687م. يعتبر هذا الكتاب أساسا للميكانيكا التقليدية، حيث استخدم نيوتن هذه القوانين لشرح العديد من الظواهر الفيزيائية.

قانون نيوتن الأول

ينص القانون على أن الأجسام الساكنة تظل ساكنة والأجسام المتحركة تظل متحركة مالم تؤثر عليها قوى خارجية، وهذا يعني أن الحركة لا يمكن أن تتغير أو تتضاءل دون تأثير قوة غير متوازنة، وما لم يحدث أي شيء للأشياء أو الأشخاص، فلا يمكن أن ينتقل شخص إلى مكان محدد إذا لم يكن يتحرك من موقعه ولا ينقله أي شخص آخر، وفقا للقانون الأول لنيوتن، فإذا لم توجد قوة خارجية، فلن يتحرك الجسم أبدا، وإذا لم توجد قوة خارجية أيضا، فلن يتوقف هذا الجسم أبدا. وإذا كانت القوة المجموعة المؤثرة على الجسم تساوي صفر، فإن الجسم يكون في حالة سكو.

السرعة هي كمية متجهة يتم التعبير عنها بالمقدار والاتجاه. عندما نقول أن السرعة ثابتة، فإننا نعني أن كل من المقدار والاتجاه ثابتين. من تطبيقات هذا القانون، عند مشاهدة رواد الفضاء وهم يعومون في الفضاء الخارجي، سنلاحظ أن أدواتهم تبقى في مكانها ولا تتحرك. يحدث ذلك لأنه لا توجد قوة تؤثر على حركة الأدوات. ينطبق هذا الأمر أيضا عندما يلقون أشياء أمام الكاميرا، حيث تتحرك الأشياء في خط مستقيم بنفس الاتجاه وبنفس السرعة ما لم يتدخل أحد لإيقاف الحركة.

مبدأ القصور الذاتي

مبدأ القصور الذاتي هو أحد المبادئ المرتبطة بالقانون الأول لنيوتن، وهو أحد المبادئ الأساسية في الفيزياء الكلاسيكية التي لا تزال تستخدم حتى الآن لشرح حركة الأشياء وتأثير القوى عليها. القصور الذاتي هو المقاومة التي يظهرها أي جسم مادي لأي تغيير في سرعته، بما في ذلك التغيرات في سرعته أو اتجاه حركته. ومن أهم جوانب هذه الخاصية هو تميل الأشياء إلى الاستمرار في التحرك في خط مستقيم بسرعة ثابتة عندما لا توجد قوة خارجية تؤثر عليها. وقد قام نيوتن بتعريف القصور الذاتي بأنه “القوة الأساسية للمادة التي تحاول من خلالها كل جسم الحفاظ على حالته الحالية، سواء كان ذلك في حالة السكون أو التحرك بشكل متساو إلى الأمام في خط مستقيم.

تطبيقات على قانون نيوتن الأول

تتكرر العديد من الأمور اليومية في حياتنا التي وضحها نيوتن في قوانينه، فقوانين نيوتن توضح أسباب حدوث الأشياء، وتتمثل بعض التطبيقات في الأمور التي نراها يوميًا

• الوسائد الهوائية الخاصة بالسيارات، وهي الوسائد التي تنتفخ عند وقوع أي حادث من أجل منع تخبط وارتطام رأس السائق بالزجاج الأمامي، فيحدث حينها التباطؤ المفاجئ في سرعتها يؤدي إلى تشغيل مفتاح كهربائي، وذلك يعمل على بدء تفاعل كيميائي تنتج منه مادة غازية تعمل على ملئ الوسادة وحماية رأس السائق.
• عند وضع كتاب على المكتب، سيظل في مكانه ما لم يتم نقله من قبل شخص آخر، وهكذا جميع الأشياء الثابتة.
• في جسم الإنسان، يتدفق الدم من الرأس إلى القدم، ولكن يتوقف بسرعة عند ركوب المصعد النازل.
• يمكن شد رأس المطرقة على المقبض الخشبي عن طريق ضرب الجزء السفلي من المقبض على سطح صلب.
• عند ركوب لوح التزلج أو الدراجة، يتميل الشخص ويطير إلى الأمام بعيدًا عن اللوحة عندما يتعرض للاصطدام برصيف أو صخرة أو أي شيء آخر يوقف حركة لوح التزلج بشكل مفاجئ.
• يُستخدم قانون نيوتن الأول في العديد من التطبيقات، مثل تغيير حركة الطائرة الورقية بحسب التغيرات الجوية.
• عند تغيير الطيار، يتغير حركة الطائرة بتحريك دواسة الوقود.

قانون نيوتن الثاني للحركة وتطبيقاته

ينص قانون نيوتن الثاني للحركة على “إذا مارست قوة على جسم ما، فإنها تسبب له تسارعا، حيث يتناسب التسارع بشكل مباشر مع قوة التأثير وبشكل عكسي مع كتلة الجسم.” يقدم قانون نيوتن الثاني وصفا لحركة الجسم عند تأثير القوى الخارجية عليه، فعندما تتأثر جسما ضخما بقوة ثابتة، فإنها تتسبب في تغيير سرعته بمعدل ثابت، حيث يزداد التسارع مع زيادة القوة. ووفقا لقانون نيوتن الثاني، تؤدي القوة المؤثرة على الجسم في حالة السكون إلى تسارعه في اتجاه القوة. ومع ذلك، إذا كان الجسم متحركا بالفعل، فقد يبدو أنه يسرع أو يبطئ أو يغير اتجاهه بناء على اتجاه القوة والاتجاهات التي يتحرك فيها الجسم والإطار المرجعي الذي يتحرك بالنسبة للجسم. ويمثل قانون نيوتن رياضيا بالمعادلة F = ma، حيث تمثل F القوة الناتجة، وتمثل m كتلة الجسم، وتمثل a التسارع.

يعمل هذا القانون على تطبيق مبدأ الحفاظ على كمية التحرك، حيث إذا كانت مجموع القوى المؤثرة على الجسم يساوي صفر، فإن كمية الحركة للجسم تبقى ثابتة. وتساوي القوة المؤثرة معدل التغير في كمية التحرك. ويعني هذا القانون أيضا أنه عندما تؤثر قوتان متساويتان على جسمين مختلفين، فإن الجسم ذو الكتلة الأكبر سيكون لديه تسارعا أقل وحركة أبطأ، بينما الجسم ذو الكتلة الأقل سيكون لديه تسارعا أكبر. على سبيل المثال، إذا كان لدينا محركين متشابهين، أحدهما لسيارة كبيرة والآخر لسيارة صغيرة، فإن السيارة الصغيرة ستمتلك تسارعا أكبر، وذلك بسبب كتلتها الأقل، في حين ستمتلك السيارة الكبيرة تسارعا أقل بسبب كتلتها الأكبر.

تطبيقات قانون نيوتن الثاني في حياتنا

• يمكن ملاحظة قانون نيوتن الثاني عند محاولة تحريك جسم ما، مثل محاولة إيقاف كرة متحركة تتدحرج على الأرض أو دفع كرة بقوة لجعلها تتحرك.
• ينطبق قانون نيوتن الثاني على تخفيض وزن سيارات السباق لزيادة سرعتها، حيث يحاول المهندسون والخبراء في السباقات الحفاظ على كتلة السيارة على أدنى مستوى ممكن، بحيث يعني الوزن المنخفض المزيد من التسارع، وكلما زاد التسارع، زادت فرص الفوز في السباق.

مثال على ثانون نيوتن الثاني: عند دفع عربة التسوق الفارغة في المتاجر، يكون الدفع سهلا، بينما يكون الدفع صعبا للغاية عندما تكون محملة.

قانون نيوتن الثالث وتطبيقاته

القانون الثالث لنيوتن ينص على أنه لكل فعل رد فعل، تكون القوة المؤثرة مساوية للقوة الردية في المقدار ومضادة لها في الاتجاه. وبمعنى آخر، عندما تؤثر قوة على جسم، يجب أن تكون هناك قوة أخرى مصاحبة لها بنفس المقدار ولكن في اتجاه معاكس. وفي بعض الأحيان، يمكن تحديد مقدار واتجاه القوة عن طريق جسم واحد فقط من الجسمين. على سبيل المثال، عندما يؤثر جسم أ على جسم ب بقوة، يكون هناك رد فعل يؤثر الجسم ب على الجسم أ بقوة متساوية في المقدار ولكن في اتجاه معاكس، ويسمى هذا برد الفعل. وفي حالات أخرى، يتم حساب مقدار واتجاه القوة عن طريق الجسمين معا، وفي هذه الحالة لا نستخدم مصطلح الفعل وردة الفعل، بل يمكن تسمية كلتا القوتين بالفعل وردة الفعل، لأنهما قوتين منفصلتين ولا يمكن وجود إحداهما بدون الأخرى.

تطبيقات على قانون نيوتن الثالث

• يستخدم المهندسون قانون نيوتن الثالث عند تصميم الصواريخ والقذائف، حيث يؤدي اندفاع الغازات الناتجة عن احتراق الصاروخ إلى زيادة سرعته.
• هل تعلم أنه عندما يقفز شخص بقوة من الأرض، يطبق الأرض ردة فعل مساوية في المقدار ومعاكسة في الاتجاه، مما يدفع الشخص في اتجاه آخر.
• أثناء السباحة، يدفع الماء الشخص إلى الأمام، بينما يسحب الشخص الماء إلى الخلف، ويؤثر كل منهما على الآخر بنفس القوة ولكن باتجاه معاكس.
• تتحرك الطيور والطائرات بدفع الهواء في الاتجاه المعاكس للاتجاه الذي تسير فيه.