قوانين نيوتن كيف تحكم العالم الفيزيائي

قوانين نيوتن الثلاثة للحركة، هي من بين أهم أسس الميكانيكا الكلاسيكية. يشرحون العلاقة بين القوة والكتلة والحركة ويوفرون طريقة لفهم كيفية عمل العالم المادي. صاغ إسحاق نيوتن قوانينه الثلاثة للحركة في أواخر القرن 17، لكنها لا تزال تستخدم حتى اليوم لشرح والتنبؤ بسلوك الأشياء المتحركة.

قانون نيوتن الأول للحركة: قانون القصور الذاتي

ينص قانون نيوتن الأول للحركة على أن الجسم الساكن سيبقى في حالة سكون ما لم تؤثر عليه قوة خارجية.

يعرف هذا القانون أيضا باسم قانون القصور الذاتي.

القصور الذاتي هو ميل الجسم للبقاء في حالته الحالية للحركة.

بعبارة أخرى، سيظل الجسم الساكن في حالة سكون ما لم تؤثر عليه قوة، وسيستمر الجسم المتحرك في التحرك في خط مستقيم بسرعة ثابتة ما لم تؤثر عليه قوة.

على سبيل المثال، إذا دحرجت كرة على منحدر، فستستمر الكرة في التدحرج بنفس السرعة وفي الاتجاه نفسه حتى تؤثر عليها قوة، مثل الاحتكاك. وبالمثل، إذا أسقطت جسما من ارتفاع، فسيستمر في السقوط حتى يواجه قوة يمكن أن تبطئه، مثل مقاومة الهواء.

مسائل على قانون نيوتن الأول

1- إذا كان جسم يتحرك بسرعة ثابتة باتجاه معين، ثم تعرض لقوة خارجية تجعله يتحرك في اتجاه آخر، فما هو المقدار الذي يتغير به اتجاه الحركة؟

الحل:

إذا كان الجسم يتحرك بسرعة ثابتة باتجاه معين، فإنه لن يتغير سرعته إذا لم يتعرض لأي قوة خارجية. ولكن إذا تعرض لقوة خارجية تجعله يتحرك في اتجاه آخر، فإنه يتغير اتجاه الحركة بدون تغيير في المقدار. يمكن حساب الزاوية التي يتحرك بها الجسم بعد تأثير القوة الخارجية باستخدام مثلثات الجيومترية.

2- إذا كان جسم يتحرك بسرعة ثابتة باتجاه معين، ويتعرض لقوة خارجية تسبب في زيادة سرعته بمقدار 10 متر في الثانية، فما هي القوة المطلوبة لإيقاف الجسم؟

الحل:

بما أن الجسم يتحرك بسرعة ثابتة فإن القوة المطلوبة لإيقافه تساوي القوة المؤثرة عليه. عندما يتعرض لقوة خارجية تزيد سرعته بمقدار 10 متر في الثانية، فإنه يتحرك بتسارع a = 10 م/ث². وبما أن الكتلة m ثابتة فإن القوة F المطلوبة لإيقاف الجسم تكون:

F = m × a

F = m × 10

مثال: إذا كانت كتلة الجسم تساوي 3 كجم، فإن القوة المطلوبة تكون:

F = 3 × 10

F = 30 نيوتن

إذاً، القوة المطلوبة لإيقاف الجسم تساوي 30 نيوتن.

قانون نيوتن الثاني للحركة: قانون التسارع

ينص قانون نيوتن الثاني للحركة على أن معدل تغير كمية حركة الجسم يتناسب طرديا مع القوة المؤثرة وهو في نفس اتجاه القوة. بعبارة أخرى، سوف يتحرك الجسم بعجلة في اتجاه القوة المؤثرة عليه.  على سبيل المثال، إذا قمت بتطبيق قوة على جسم ما، فسوف تتسارع في اتجاه القوة المطبقة. كلما زادت القوة، زاد التسارع. وبالمثل، إذا قمت بتطبيق قوة على جسم في الاتجاه المعاكس، فسوف يتباطأ.

مسائل على قانون نيوتن الثاني

1- إذا كانت قوة مؤثرة على جسم تساوي 100 نيوتن وتسبب تسارعه بمقدار 5 م/ث²، فما هي كتلة الجسم؟

الحل: وفقًا لقانون نيوتن الثاني، فإن قوة F المؤثرة على جسم تسبب تسارعًا a في الجسم، ويمكن حساب الكتلة m باستخدام العلاقة التالية:

F = m × a

من خلال البيانات المعطاة، يمكن حساب الكتلة عن طريق تقسيم القوة على التسارع، أي:

m = F / a

m = 100 / 5

مثال: إذا كانت القوة المؤثرة على الجسم تساوي 100 نيوتن وتسبب تسارعًا بمقدار 5 م/ث²، فإن كتلة الجسم تساوي 20 كجم.

2- إذا كانت قوة مؤثرة على جسم تسبب تسارعه بمقدار 10 م/ث²، فإذا زادت القوة بنسبة 50%، فما هو التسارع الناتج؟

الحل:

وفقًا لقانون نيوتن الثاني، فإن قوة F المؤثرة على جسم تسبب تسارعًا a في الجسم، ويمكن حساب التسارع باستخدام العلاقة التالية:

a = F / m

إذاً، إذا كانت القوة المؤثرة على الجسم تسبب تسارعًا بمقدار 10 م/ث²، فإن التسارع يساوي F/m. عند زيادة القوة بنسبة 50% (أي ضعفها وإضافة نصف القوة الأصلية)، فإن القوة الجديدة تساوي 1.5 مضاعفات القوة الأصلية، أي:

Fnew = 1.5 × Foriginal

وبما أن التسارع يتناسب عكسيًا مع الكتلة، فقد يمكن التجزئة المشتركة للعلاقة التي تحوي التسارع والقوة والكتلة:

a = F / m

a = (1.5 × Foriginal) / m

وبما أن الكتلة لم تتغير، فإنه يمكن إلغاء الكتلة في كلا الجانبين، وبالتالي يمكن حساب التسارع الجديد عن طريق ضرب التسارع الأصلي بنسبة زيادة القوة، أي:

anew = 1.5 × aoriginal

anew = 1.5 × 10

مثال: إذا كانت القوة المؤثرة على الجسم تسبب تسارعًا بمقدار 10 م/ث²، فإذا زادت القوة بنسبة 50%، فإن التسارع الناتج يساوي 15 م/ث².

قانون نيوتن الثالث للحركة: قانون الفعل ورد الفعل

ينص قانون نيوتن الثالث للحركة على أنه لكل فعل رد فعل مساو ومعاكس. يعرف هذا القانون أيضا باسم قانون الفعل ورد الفعل. بعبارة أخرى، عندما يتفاعل جسمان أحدهما مع الآخر، فإنهما سيؤثران على بعضهما البعض قوى متساوية ومتعاكسة.

على سبيل المثال، عندما تدفع الحائط، يدفع الجدار للخلف بقوة مساوية ومعاكسة. وبالمثل، عندما تقفز من الأرض، تدفع الأرض للخلف بقوة مساوية ومعاكسة، مما يدفعك لأعلى.

الأسئلة الشائعة حول قوانين نيوتن

الخلاصة

توفر قوانين نيوتن الثلاثة للحركة نظرة ثاقبة مهمة حول كيفية عمل العالم المادي. يشرحون العلاقة بين القوة والكتلة والحركة ويوفرون طريقة لفهم كيفية تفاعل الأجسام المتحركة مع بعضها البعض. لا تزال هذه القوانين تستخدم اليوم لشرح وتوقع سلوك الأشياء المتحركة، وهي توفر الأساس للميكانيكا الكلاسيكية.

المراجع

1. “Mechanics” by Keith R. Symon .
2. “Classical Mechanics” by Herbert Goldstein .
3. “Introduction to Classical Mechanics” by David Morin .