يصف قانون نيوتن الأول والثاني والثالث حركة الأجسام في حالة القصور الذاتي. قد تكون هذه القوانين واضحة اليوم نتيجة لدراسات إطار متعددة عليها، لكنها لم تكن كذلك في القرون الثلاثة الماضية، لذلك صاغها نيوتن بطريقة بسيطة وسهلة، لذلك من خلال شرح قوانين نيوتن الثلاثة.
قانون نيوتن الأول
يتحدث قانون نيوتن عن أشياء لها كتل رياضية كبيرة ليس لها حجم أو حركة، مما تسبب في إغفال عدة عوامل، مثل الاحتكاك ومقاومة الهواء وخصائص المواد والحرارة، لكن نيوتن ذهب لشرح الظواهر التي يمكن أن نصفها سلوك الأشياء، لذلك جاء بقانون نيوتن الأول والثاني والثالث.
نشر نيوتن ثلاثة قوانين للحركة في كتابه “المبادئ الرياضية للفلسفة الطبيعية” عام 1687 وحتى هذا الوقت كانت هذه القوانين من بين أهم القوانين الفيزيائية التي لا تزال مستخدمة، حتى أنها مستخدمة في قانون كليبر لحركة الكواكب.
نص قانون نيوتن الأول هو “يظل الجسد في حالة سكون ما لم تعمل عليه قوى خارجية وتحركه”. يقول نيوتن إن الجسم الذي يتحرك في خط مستقيم سيبقى أيضًا في حالة حركة ما لم تأتي القوى الأخرى لتغيير حالته.
هذا يعني أن نيوتن يعني أن الأجسام لا تتحرك من تلقاء نفسها، ولكن هناك دائمًا قوى خارجية تؤثر على حركة هذه الأجسام، وينص القانون على أنه إذا كان مجموع القوى المؤثرة على الجسم يساوي صفرًا >> هذا هو ثابت سرعة الجسم، وعندما نقول أن سرعة الجسم ثابتة، فهذا يعني أن المقدار والاتجاه ثابتان، ويمكن التعبير عن هذا القانون بالعلاقة الرياضية التالية
من هذه العلاقة الرياضية، نستنتج الثوابت التالية “يظل الجسم الساكن غير متأثر بالقوى الخارجية، ويبقى الجسم المتحرك كما هو طالما أنه لا يتأثر بالقوى الخارجية.”
تسمى الحالة التي يوجد فيها الجسم هنا أيضًا بالحركة المنتظمة، لذلك يحافظ الجسم دائمًا على سرعته واتجاهه ما لم يعبره جسم آخر، ومثال على ذلك المركبات الفضائية التي تستمر في التحرك في الفضاء الواسع.
وضع نيوتن القانون الأول للحركة ليكون إطارًا مرجعيًا في تفسير وتطبيق بقية القوانين، ويشار إلى هذا القانون باسم “قانون القصور الذاتي”، والذي يوضح أن الجسم يجب أن يكون له مجموع القوى المؤثرة عليه تساوي الصفر من أجل البقاء في حركة موحدة، أي جسم في الكون تعتمد حركته على تأثير القوى، ويقل مجموع هذه القوى عندما تكون سرعة الجسم ثابتة.
قانون نيوتن الثاني
ينص قانون نيوتن الثاني على ما يلي “إذا تحركت القوى على جسم ما، فإنها تمنحه تسارعًا يتناسب طرديًا مع قوته ويتناسب عكسًا مع كتلته”.
بما أن f تمثل القوى، m تمثل الكتلة وتمثل a السرعة، وهذا القانون يثبت أن الأجسام تتأثر بأكثر من القوى الخارجية ولحسابها نضرب كتلة هذا الجسم في مقدار سرعته، ونجد خارج القوى التي تؤثر على هذا الجسم، يجب أن نعرف أولاً قوى الجاذبية التي تتوافق مع القوى المتعامدة. الجسم المتحرك يستقر عليه ويسمى القوة الطبيعية.
عندما نفرق مقدار الحركة فيما يتعلق بالوقت، فإن النتيجة ليست صفرًا لأنه عندما يكون هناك تغيير في الحركة ولا يوجد تغيير في الحجم، فإن هذه العلاقة تنطبق، وهو قانون نيوتن الثاني، وعندما يكون مجموع جميع القوى المؤثرة على الجسم = صفر، كمية الحركة لهذا الجسم ثابتة، كما يلي
- يتغير الزخم عندما تتغير الكتلة حتى لو لم تكن هناك قوى خارجية.
- عند استخدام قانون نيوتن الثاني، يجب أن تؤخذ النسبية لأن حاصل ضرب الكتلة والسرعة ليس صحيحًا على النحو الأمثل.
قانون نيوتن الثالث
في سياق تحديد قانون نيوتن الأول والثاني والثالث، سنشرح أن الحالات الثالثة “لكل فعل رد فعل مساوٍ في الحجم ومعاكس في الاتجاه.” يعني هذا القانون أن كل جسم يتحرك له حركة معاكسة من الجسم الآخر مساوية له، ولكن في الاتجاه على العكس، نوضح تفاصيل القانون في الأسطر التالية
- يعني هذا القانون أن القوى متبادلة بين الأجسام، وهذا يعني أنه عندما تؤثر القوى على الجسم، يجب أن يكون لهذا الجسم قوى أخرى تعيده إلى هذا الجسم مساوية تمامًا لحجم قوى الجسم الأول.
- في بعض الأحيان، يتم تحديد مقدار القوى بواسطة جسم واحد فقط. عندما يعمل الجسم 1 على الجسم 2، فإن الجسم 1 هو الفعل، والجسم 2 يعمل على الجسم 1، وهو رد الفعل. يسمى هذا القانون عادة قانون الفعل ورد الفعل.
- نحسب أحيانًا مقدار واتجاه القوى على مسار الجسمين معًا، وليس أحدهما فقط. في هذه الحالة، لا نستخدم الكلمات فعل ورد فعل لأنهما قوتان منفصلتان.
أمثلة من الحياة على قوانين نيوتن الثلاثة
وضع نيوتن هذه القوانين لشرح الحركة في جميع جوانب الحياة، لذلك نرى أن أي جسم كان في حالة راحة أو حركة، ويتم تفسير حالته بناءً على قوانين نيوتن الأول والثاني والثالث، وسنقدم عدة أمثلة على النحو التالي
1 قانون نيوتن الأول
يحتوي قانون نيوتن الأول على العديد من الأمثلة الحياتية ويمكن تطبيقه في جميع جوانب الحياة اليومية، بما في ذلك
- أن يظل الحجر ثابتًا ما لم تأثر عليه قوى أخرى وتحركه.
- عند وضعها في المخزن، تظل الدراجة في مكانها ما لم تؤثر عليها قوى خارجية.
- عندما تدحرج الكرة، تظل في خط مستقيم ما لم تعمل عليها قوى خارجية لإيقافها أو التأثير على اتجاهها.
2 قانون نيوتن الثاني
يتم تطبيق قانون نيوتن الثاني في مواقف يومية مختلفة عندما نتعامل مع جسمين بقوتين مختلفتين. ومن الأمثلة على ذلك
- تختلف القوى التي تحتاجها السيارة الكبيرة عن تلك الموجودة في السيارة الصغيرة.
- الشخص ذو الوزن الثقيل يتحرك بسرعة مختلفة عن الشخص ذي الوزن الصغير.
3 قانون نيوتن الثالث
هناك العديد من الأمثلة التي ينطبق عليها قانون نيوتن الثالث في الحياة اليومية. أي جسم يتحرك في حركة غير ثابتة يفسره هذا القانون، وهذه الأمثلة هي
- عندما تسبح السمكة بقوة وسرعة معينتين، فإنها تولد قوى رد فعل تأتي من الماء على جسم السمكة مساوية لقوى زعانف السمكة، ولكن هذه القوى في الاتجاه المعاكس، وهذه الطاقة تدفع جسم السمكة للأمام. .
- لكي تطير المروحية، فإنها تدفع الهواء إلى الأسفل لترتفع، ويؤثر عليها بنفس مقدار قوة الدفع مثل الطائرة، ولكن لأعلى.
- لكي يطير الطائر، فإنه يدفع الهواء للخلف عبر الأجنحة، مما يتسبب في دفع الطائر للأمام.
- عندما تسحب الشريط المطاطي، فإنه يرتد بنفس القوة التي فعلها في المرة الأولى.
- عندما يسير الإنسان على الطريق فإنه يؤثر عليها، وهذا الطريق يؤثر عليه كما يحدث بين الطريق والسيارة.
أنواع الحركة
تختلف الحركة وتختلف حسب الاتجاه الذي يتحرك فيه الجسم المتحرك وكيف يتحرك هذا الجسم، لذلك بعد شرح قانون نيوتن الأول والثاني والثالث سنشرح أنواع الحركة في النقاط التالية
- الحركة الانتقالية الحركة التي يتحرك فيها الجسم في خط مستقيم ولا ينحرف عن هذا الخط.
- الحركة الدورانية هي الحركة التي يدور فيها الجسم حول نفسه على شكل دائرة، وتعتمد هذه الحركة على قوى عزم الدوران، وهي القوى التي يحتاجها الجسم لكي يتحرك.
- حركة التذبذب هي حركة تحدث نتيجة لتغيير معين مع مقدار ثابت من الوقت المطلوب لهذه الحركة.
تعد قوانين نيوتن الأول والثاني والثالث من بين أهم القوانين التي تشرح حركة الأجسام. لم تتضاءل أهميتها الكبيرة خلال القرون الثلاثة من وقت اكتشافها حتى عصرنا.