بحث عن قوانين نيوتن

محتويات

١ إسحق نيوتن
٢ قوانين نيوتن في الحركة الخطية
٣ تطبيقات على قوانين نيوتن
٤ المراجع

إسحق نيوتن

إسحق نيوتن هو عالم رياضيات وفيزياء إنجليزي، يُعدّ من رواد الثورة العلمية في أوروبا، وُلِد عام 1642م في مدينة لينكولنشاير البريطانية‬‎، وكانت ولادته بعد وفاة والده ببضعة أشهر حيث وُلِد متعباً وهزيلاً إلا أنه بقي على قيد الحياة، وقد كانت طفولته حزينةً، فبعد أعوام قليلة قرّرت أمّه الزواج من رجل آخر.^[١]

أمّا عن إنجازات إسحق نيوتن العلمية في شبابه، فقد حاز على رتبة أستاذ في مجال الرياضيات في جامعة كامبردج وهو في سنّ مبكرة، حيث كان عمره ستةً وعشرين عاماً، وكان لهذا العالم إسهامات عديدة في الميكانيكا؛ فقد وضع العديد من القوانين الأساسية، ووضع الأسس التي تمكن من خلالها من اكتشاف الضوء، كما اكتشف قانون الجاذبية الأرضية، أما في المجال الرياضي فقد قدّم إنجازات في فرع التفاضل والتكامل، وغيره، أما وفاته فقد توفي نيوتن عام 1727م.^[٢]

قوانين نيوتن في الحركة الخطية

تُعرَّف القوة على أنّها كمية متجهة لها مقدار واتجاه، أما القوة القوة المحصلة عبارة عن قوة مفردة، فلو كان هنالك مسابقة لمجموعتين متساويتين من الطلبة لشد الحبل؛ حيث إن كل مجموعة تؤثر في الحبل بقوة معينة لسحبه بالاتجاه المعاكس، ومن هنا فإن القوة المحصلة هي القوة التي تسبب الحركة، وهي مهمة لتغيير حركة الأجسام أيضاً.^[١]

وقبل قدوم غاليليو، كان يُعتقد بأنه لبقاء الجسم متحركاً لا بد من وجود قوة تؤثر فيه باستمرار، وبقي هذا الاعتقاد معروفاً، إلا أن قَدِم العالم غاليليو ببعض الاستنتاجات والحجج والأدلة المنطقية من خلال تجربة تخيلية، وتتمثل هذه التجربة بأنه لو وضع سطحان أملسان ومائلان مقابل بعضهما البعض، فإن الكرة الساقطة أو المتدجرجة من أحد هذين السطحين ستصل إلى نفس الارتفاع الذي سقطت منه، ومن هنا يستنتج بأنه إذا كان السطح المقابل أفقي أي زاوية ميله تساوي صفر، فإن الكرة ستتابع الحركة بسرعة ثابتة ولن تتوقف. ولكن على أرض الواقع، قوة الاحتكاك مؤثر قوي على حركة الأجسام فقد توقفها أو تعيقها، وبناءاً على ما ذُكر قام غاليليو بصياغة النتيجة التالية: (لا يلزم قوة للحفاظ على حركة الأجسام بسرعة ثابتة في خط مستقيم إذا ما أهمل الاحتكاك). ومن هنا بنى العالم الفيزيائي والرياضي الشهير إسحق نيوتن نظريته في الحركة والتي فُرعت إلى ثلاثة قوانين سميت بقوانين نيوتن في الحركة، والتي قام من خلالها بوصف تأثير القوى على حركة الأجسام.^[١]

قانون نيوتن الأول

يبين قانون نيوتن الأول في الحركة، حركة الأجسام ومقاومتها لأي تغيير على حالتها الحركية، فهي عاجزة وغير قادرة (قاصرة) على تغيير حالتها الحركية بنفسها، وتُسمّى هذه الخاصية بالقصور الذاتي، كما يمكن أن يُعرَف قانون نيوتن الأول باسم آخر هو قانون القصور، ويوضح قانون نيوتن الأول أنّ سرعة الجسم تبقى ثابتة في المقدار والاتجاه في حال كانت محصلة القوة تساوي صفراً، حيث يكون الجسم في مثل هذه الحالة متوازناً، أمّا إذا تغيرت حالته الحركية فلا بُدّ حينها من وجود قوة محصلة أثّرت في الجسم، بحيث لا تساوي صفراً، وينص قانون نيوتن الأول في الحركة على أنّ (الجسم الساكن يبقى ساكناً، والجسم المتحرك يبقى متحركاً بنفس السرعة والاتجاه ما لم تؤثر فيه قوة محصلة تغيّر في حالته الحركية).^[١]

قانون نيوتن الثاني

يوضّح القانون الأول لنيوتن أنه في حال وجود قوة محصلة في الجسم فلا بد من تغير سرعته؛ أي أنّ الجسم يتسارع، وبهذا جاء القانون الثاني لنيوتن ليوضح أن العلاقة بين التسارع والقوة المحصلة المؤثرة على الجسم هي علاقة طردية؛ أي أن التسارع الذي يكتسبه الجسم يتناسب بشكل طردي مع مقدار القوة المحصلة التي تؤثر فيه، بحيث يكون بنفس اتجاهها، أما بالنسبة لكتلة الجسم فهي مقياس لمدى قصوره الذاتي، فالقصور الذاتي يعتمد على كتلة الجسم، فإذا كان الجسم ذا كتلة كبيرة، فمعنى ذلك أن تحريكه أمر صعب، أما إذا كان الجسم ذا كتلة صغيرة فهذا يعني أن تحريكة أمر سهل، وينص قانون نيوتن الثاني للحركة على أنه (إذا أثرت قوة محصلة في جسم أكسبته تسارعاً يتناسب طردياً معها، ويكون باتجاهها)، ومن هنا فإن:^[١]

القوة المحصلة/التسارع=الكتلة؛ أي أنّ:

القوة المحصلة=الكتلة×التسارع، وهذه الصيغة هي التي تمثل الصيغة الرياضية لقانون نيوتن الثاني.

قانون نيوتن الثالث

لقد بين القانونان السابقان لنيوتن أنه عند تغيير الحالة الحركية للجسم، فلا بد من وجود قوة تؤثر فيه، وأنّ تسارع الجسم يعتمد على القوة المحصلة التي تؤثر في الجسم، لكن في القانون الثالث لنيوتن سيتم توضيح رد فعل الجسم عند تأثير قوّةٍ ما فيه، فإذا ضربت كرة قدم أحد اللاعبين فلا بد من وجود تأثير لهذه الكرة على القدم، ممّا يولد قوة أخرى معاكسة تجعل الكرة ترتدّ، ومن هنا استنتج نيوتن أنّ هذه القوة تساويها في المقدار لكنها تعاكسها في الاتجاه، بحيث صيغ على النحو الآتي: (إن تفاعل جسمان (أ، ب)، فإنّ القوة التي يؤثر بها الجسم ب في الجسم أ تساوي في المقدار وتعاكس في الاتجاه القوة التي يؤثر بها الجسم أ في الجسم ب)، وتُسمّى القوة التي يؤثر بها الجسم أ على الجسم ب بالفعل، أمّا القوة التي يؤثر بها الجسم ب على الجسم أ فتُسمّى ردّ الفعل. وبمعنى آخر (لكل فعل رد فعل مساوٍ له في المقدار ومعاكس له في الاتجاه).^[١]

تطبيقات على قوانين نيوتن

مظلات الهبوط

إن أي جسم يسقط بفعل تأثير الجاذبية الأرضية يتسارع بصورة ثابتة، لذلك قد تزداد سرعته بشكل مستمر، لكن إذا كان هذا الجسم تحت تأثير مقاومة الهواء التي تعاكس وزن الجسم الساقط، فإن القوة المحصلة التي تعمل على تسارع الجسم ستقل، وبهذا فإن القوة المحصلة تنقص بزيادة سرعة الجسم، وبناءً عليه فإن التسارع يستمر بالتناقص حتى يصل إلى صفر، حيث يحدث ذلك نتيجة تساوي القوة المقاومة للهواء مع وزن الجسم، ليبقى الجسم على سرعته الثابتة أثناء سقوطه، أمّا السرعة التي تكون عندها محصلة القوى صفراً تُسمّى السرعة النهائية (السرعة الحدية). وقد كانت إحدى تطبيقات قوانين نيوتن في الحركة هي مظلات هبوط الطائرات التي تعتمد في عملها على ما تمّ ذكره، حيث تعمل المظلة على زيادة مقاومة الهواء حتى يصل إلى السرعة الحديّة، لتصل السرعة إلى أقل ما يمكن حتى يستطيع بعدها المظلي النزول بأمان.^[٣]

الصاروخ

إنّ استخدامات الصواريخ متعددة؛ فمنها ما يُستخدَم لحمل الأقمار الصناعية، ومنها ما يُستخدَم لأغراض حربية، وتُطلَق هذه الصواريخ نتيجة اندفاع الغازات المحترقة بكميات هائلة خلف الصواريخ، حيث يدفع المحرك الغازات المحترقة إلى الأسفل، ممّا يولد قوّةً معاكسةً في الاتّجاه ومساويةً في المقدار، ممّا يدفعها نحو الأعلى.^[١]

المدفع والقذيفة

يؤثّر المدفع في القذيفة بقوّة؛ فهو يقوم على مبدأ إشعال كبسولتها التي تؤدي بدورها إلى دفع القذيفة بقوّة، ممّا يؤدي إلى ارتداد المدفع نحو الخلف كردّ فعل.^[١]