قانون نيوتن الأول والثاني والثالث

إن قانون نيوتن الأول والثاني والثالث تَصِف حركة الأجسام في القصور الذاتي، فهذه القوانين قد تكون واضحة اليوم نتيجة لتعدد إطار دراسات عليها لكنها لم تكُن كذلك في السابق قبل ثلاثة قرون، فقام نيوتن بصياغتها بطريقة بسيطة وسهلة، لذا من خلال موقع البلد سنقوم بشرح قوانين نيوتن الثلاثة.

قانون نيوتن الأول

يتحدث قانون نيوتن عن الأجسام التي تمتلك كتل كبيرة رياضية ليس لها حجم أو حركة، مما تسبب في التغافل عن عدة عوامل، مثل: الاحتكاك ومقاومة الهواء وخصائص المواد والحرارة، لكن نيوتن توجه إلى بيان الظواهر التي نستطيع وصفها بأنها سلوك للأجسام، فخرج لنا بقانون نيوتن الأول والثاني والثالث.

نشر نيوتن قوانين ثلاثة للحركة في كتابه “الأصول الرياضية للفلسفة الطبيعية” عام 1687 وحتى وقتنا هذا أن تلك القوانين من أهم القوانين الفيزيائية التي لازالت تستخدم، حتى أنها تستخدم في قانون كليبر لحركة الكواكب.

إن نص قانون نيوتن الأول هو: “الجسم الساكن يبقى ساكنًا ما لم تؤثر عليه قوى خارجية فتحركه” ويقول نيوتن أن الجسم الذي يتحرك في خط مستقيم يبقى كذلك متحركًا ما لم تأتي قوى أخرى تغير من حالته.

معنى هذا أن نيوتن يقصد أن الأجسام لا تتحرك من تلقاء نفسها ولكن دائمًا ما تكون هناك قوى خارجية تؤثر على حركة هذه الأجسام، وينص القانون على أنه إذا كان مجموع القوى التي تؤثر على الجسم تساوي صفر>> فإن هذا سرعة الجسم ثابتة، وعندما نقول إن سرعة الجسم ثابته فهذا يعني أن المقدار والاتجاه ثابت، ويمكن التعبير عن هذا القانون بالعلاقة الرياضية التالية:

من هذه العلاقة الرياضية نستنتج الثوابت التالية: “الجسم الساكن يزال على حالُه لم يتأثر بالقوى خارجية، الجسم المتحرك تبقى سرعته كما هي ما لم يتأثر بقوى خارجية”.

كما تسمى الحالة التي عليها الجسم هنا بالحركة المنتظمة، فيظل الجسم دائمًا محافظًا على سرعته واتجاهُ ما لم يقطعه جسم آخر، ومثالًا على هذا المركبات الفضائية التي تستمر في الحركة في الفضاء الواسع.

وضع نيوتن القانون الأول للحركة ليكون إطار مرجعي في تفسير وتطبيق باقي القوانين، ويتم الإشارة إلى هذا القانون بقانون “القصور الذاتي” الذي يوضح أن الجسم لابُد أن تكون مجموع القوى المؤثرة عليه تساوي صفر ليبقى في حركة منتظمة، أي جسم في الكون تعتمد حركته على تأثير القوى، وتقل مجموع هذه القوى حينما تكون سرعة الجسم ثابتة.

قانون نيوتن الثاني

ينص قانون نيوتن الثاني على أن: “إذا أثرت قوى على جسم ما فإنها تكسبه تسارعًا، يتناسب طرديًا مع قوته وعكسيًا مع كتلته”، ويعبر عن ذلك بعلاقة رياضية هي F=ma كما موضح في الصورة المُقبلة:

حيث إن f تمثل القوى، وm  تُمثل الكتلة وa تُمثل السرعة، ويثبت هذا القانون أن الأجسام تؤثر عليها أكثر من قوى خارجية ولنقوم بحسابها نضرب كتلة هذا الجسم في مقدار سرعته، ولمعرفة القوى التي تؤثر على هذا الجسم علينا أولًا معرفة قوى الجاذبية التي يقابلها قوى عمودية يقوم الجسم المتحرك بالاستقرار عليها وتسمى بالقوى الطبيعية.

عندما نفاضل كم الحركة بالنسبة للزمن فإن الناتج لا يكون صفر لأنه عندما يكون هناك تغير في الحركة ولا يوجد تغيير في المقدار عندها تطبق هذه العلاقة وهي قانون نيوتن الثاني، وعندما يكون مجموع جميع القوى المؤثرة على جسم = صفر، فكمية الحركة لهذا الجسم ثابتة، كما:

• تتغير كمية الحركة عند تغير الكتلة حتى لو لم يكن هناك قوى خارجية.
• عند استخدام قانون نيوتن الثاني يجب أخذ النسبية لأن حاصل ضرب الكتلة والسرعة يكون غير صحيح بالشكل الأمثل.

قانون نيوتن الثالث

في إطار التعرف على قانون نيوتن الأول والثاني والثالث، سنوضح أن الثالث ينص على: “لكل فعل رد فعل مساوٍ له في المقدار ومعاكس له في الاتجاه” ويعني هذا القانون أن كل جسم يتحرك تكون له حركة معاكسة من الجسم الآخر متساوية معها ولكن تكون في الاتجاه المعاكس، ونوضح تفاصيل القانون في السطور التالية:

• يعني هذا القانون أن القوى متبادلة بين الأجسام وهذا يعني أنه عندما تؤثر قوى على جسم فلابُد أن يكون لهذا الجسم قوى أخرى يردها على هذا الجسم متساوية تمامًا مع مقدار قوى الجسم الأول.
• في بعض الأحيان مقدار القوى يتحدد من خلال جسم واحد فقط، فعندما يؤثر جسم 1 على جسم 2 يكون جسم 1 هو الفعل، ويؤثر الجسم 2 على الجسم 1 وهو رد الفعل، وهذا القانون عادةً ما يسمى قانون الفعل ورد الفعل.
• في بعض الأحيان نقوم بحساب مقدار القوى واتجاهها عند طريق الجسمين معًا وليس أحدهما فقط في هذه الحالة لا نستخدم لفظ الفعل ورد الفعل لأنهما قوتين منفصلتين.

أمثلة حياتية على قوانين نيوتن الثلاثة

وضع نيوتن هذه القوانين لتفسر الحركة في كل جوانب الحياة، لذلك نرى أن أي جسم كان في حالة السكون أو الحركة يتم تفسير حالته بناءً على قانون نيوتن الأول والثاني والثالث، وسنضع عدة أمثلة فيما يلي:

1ـ قانون نيوتن الأول

إن قانون نيوتن الأول له الكثير من الأمثلة الحياتية ويمكن تطبيقه في كل جوانب الحياة اليومية، ومن تلك الأمثلة:

• أن الحجر يبقى ساكنًا في مكانه ما لم تأتي أي قوى أخرى تؤثر عليه فتحركه.
• الدراجة عند وضعها في المخزن تبقى مكانها ما لم تأتي قوى خارجية تأتي لتؤثر عليها.
• عند تدحرج الكرة تبقى على حالها في خط مستقيم ما لم تأتي قوى خارجية تؤثر عليها لتوقفها أو تؤثر على اتجاهها.

2ـ قانون نيوتن الثاني

يُطبق قانون نيوتن الثاني في شتى المواقف اليومية عندما نتعامل مع جسمين بقوتين مختلفتين، ومن هذه الأمثلة:

• تختلف القوى التي تحتاجها السيارة الكبيرة عن السيارة الصغيرة.
• الشخص ذو الوزن الكبير يتحرك بسرعة تختلف عن الشخص صاحب الوزن الصغير.

3ـ قانون نيوتن الثالث

يتوفر الكثير من الأمثلة التي ينطبق عليها قانون نيوتن الثالث في الحياة اليومية فأي جسم يتحرك حركة غير ثابتة يتم تفسيرها بهذا القانون، ومن هذه الأمثلة:

• عندما تسبح السمكة بقوى وسرعة معينة فإنها تولد قوى رد فعل تأتي من المياه على جسم السمكة تساوي قوى زعانف السمكة، لكن هذه القوى تكون في عكس الاتجاه، فتدفع هذه الطاقة جسم السمكة للأمام.
• لتطير الطائرة الهليكوبتر تقوم بدفع الهواء لأسفل لكي ترتفع فيؤثر الهواء عليها بنفس مقدار الدفع الخاص بالطائرة لكن لأعلى.
• لكي يطير الطائر يقوم بدفع الهواء للخلف عن طريق الأجنحة، مما يؤدي مما يجعل الطائر يندفع للأمام.
• عندما تسحب الشريط المطاطي فإنه يرتد بنفس القوى التي سحب بها أول مرة.
• عندما يسير الشخص على الطريق فإنه يؤثر فيها وهذه الطريق تؤثر فيه كما يحدث بين الطريق والسيارة.

أنواع الحركة

تتنوع الحركة وتختلف حسب الجهة التي يسير بها الجسم المتحرك والكيفية التي يتحرك بها هذا الجسم، لذا فعقب شرح قانون نيوتن الأول والثاني والثالث، سنوضح أنواع الحركة في النقاط الآتية:

• الحركة الانتقالية: تلك الحركة التي يسير فيها الجسم في خط مستقيم ولا يحيد عن هذا الخط.
• الحركة الدورانية: هي الحركة التي يدور فيها الجسم حول نفسه في شكل دائرة وتعتمد هذه الحركة على قوى العزم، وهي القوى التي يحتاجها الجسم لكي يتحرك.
• الحركة التذبذبية: هي حركة تحدث نتيجة تغيير معين مع ثبات في مقدار الزمن اللازم لهذه الحركة.

إن قانون نيوتن الأول والثاني والثالث من أهم القوانين التي تُفسر حركة الأجسام، فأهميتها الكبيرة لم تقل طوال ثلاثة قرون من وقت اكتشافها حتى وقتنا هذا.