القوة، الحركة، الجاذبية الأرضية، الاشتقاق والتفاضل، التكامل، السكون، السرعة، التسارع، الاحتكاك، كلها مفاهيم تتبادر إلى أذهاننا لمجرد سماع اسم “إسحاق نيوتن” هذا العالم الإنكليزي الذي ولد في 4 كانون الثاني (يناير) من عام 1643 للميلاد في العام الذي توفي فيه “غاليلو غاليلي”، وتوفي نيوتن في عام 1727 للميلاد، بعد أن عاش حياة غيرت العالم للأبد.
عاش نيوتن 86 عام، كانت نتائجها عبارة عن اختراعات واكتشافات علمية غاية في الأهمية، فعندما كان عمره 26 كان إسحاق قد اكتشف قوانين البصريات، وقوانين الحركة، وقوانين الجاذبية.
كما كان قد اخترع التفاضل والتكامل، وكان ذلك في وقت فراغه عندما أغلقت جامعة كامبردج بسبب انتشار مرض “الطاعون”، وهدف في ذلك إلى تفسير سبب دوران الأرض بشكل إهليلج بعد أن سأله صديقه عن السبب.
أما قصة التفاحة التي سقطت على رأسه فهي مجرد خرافة أو أسطورة، وهو بنفسه من أكد على أنه شاهد التفاحة وهي تسقط، لكنها لم تسقط على رأسه أبدًا.
وتعتبر أسنان إسحاق نيوتن من أغلى الأسنان وفقًا لموسوعة جينيس للأرقام القياسية، فقد بيعت احدى الأسنان عام 1816 بمبلغ مقداه 3600 دولار، أما الأن 36000 دولار.
وهذا المقال تم إعداده حتى تتمكن من التعمق في فهم قوانين نيوتن للحركة وبشكل مبسط وسلس.
بعض المفاهيم المتعلقة بقوانين نيوتن
حتى نتمكن من فهم قوانين نيوتن للحركة يجب أن نفهم ونتعمق في فهم هذه المفاهيم التي تقوم عليها القوانين بشكل رئيسي:
القوة
هل فكرت ولو لمرة كيف للأشياء أن تتحرك، كيف يتم فتح الباب وإغلاقه، أو كيف تسير السيارة وتتوقف، كيف تدفع الكرة أو تصدها، كيف تسحب الأغراض أو تدفعها.
كل ذلك والكثير من الأحداث، تتم نتيجة لتطبيق قوة ما إما قوة دفع أو قوة سحب بالاتجاه الثاني، أي أن الكرة لن تطير في الهواء عاليًا ما لم نطبق عليها قوة دفع، وشبكة صيد السمك لن تعود إلينا ما لم نطبق عليها قوة سحب.
أما عن شدة القوة فهي التي تحددها أنت بالمقدار الذي دفعت به الكرة على سبيل المثال، أو الشدة التي أغلقت الباب بها حتى أصدر صوت قوي.
وتتحدد القوة بالعناصر التالية:
- شدة القوة.
- اتجاه القوة.
- نقطة تطبيق القوة.
- منحى القوة.
تقاس القوة بواحدة: نيوتن.
السرعة
إن السرعة كمفهوم فيزيائي هي معدل التغير الذي يحصل على شيء ما خلال الزمن.
ويتم التعبير عن السرعة رياضيًا بأنها المشتق الأول للطول أو المسافة بالنسبة للزمن.
ولنتمكن من فهم السرعة بشكل أعمق علينا أن نتأمل الأمثلة التالية:
- سرعة السيارة مثلًا تعبر عن المسافة التي تقطعها خلال مدة معينة ولتكن ساعة، أي أن السيارة التي تسير بسرعة 30 كيلو متر في الساعة هي سيارة تقطع مسافة 30 كيلو متر كل ساعة أي أنها تنهي هذه المسافة مستغرقة وقت مقداه الساعة.
- سرعة شخص ما بطباعة النصوص على الحاسوب هي وليكون 100 كلمة في الدقيقة، أي أنه يحتاج من الوقت دقيقة واحدة حتى يكتب 100 كلمة.
واحدة السرعة تختلف تبعًا للشيء الذي يتم قياس سرعته، لكنها بالمجمل عبارة عن معدل تغير منسوب إلى الزمن، أي متر / ثانية، كلمة / دقيقة، كيلو متر / ساعة، ….
التسارع أو التباطؤ
التسارع أو التباطؤ كمفهوم فيزيائي هو معدل تغير السرعة بالنسبة للزمن.
ويتم التعبير عن التباطؤ أو التسارع رياضيًا بأنه المشتق الثاني للطول بالنسبة للزمن، أو المشتق الأول للسرعة بالنسبة للزمن.
والفرق بين التسارع والتباطؤ يكون بالإشارة أي أن التسارع هو التغير الموجب أي بنفس جهة التغير، أما التباطؤ فهو سالب أي بعكس جهة التغير.
ولفهم التسارع والتباطؤ بشكل أدق وأوضح يجب أن نتأمل المثال التالي:
- في السيارة، في اللحظات التي تزداد سرعتها أي عندما يكون مؤشر السرعة في تغير وزيادة، نقول عن السيارة أنها تتسارع، أي السرعة تتغير خلال زمن معين قد لا يتجاوز الدقيقة، ويكون هذا التسارع موجب ما سبب زيادة في السرعة، أما عندما ندوس على الفرامل، فإن مؤشر السرعة يتحرك بالاتجاه الأخر أي أن السرعة تقل، وبالتالي فالتغير بالسرعة الأن هو تغير سالب أي تباطؤ، هذا ما سبب بطء السيارة إلى أن أصبحت سرعتها صفر وتوقفت تمامًا.
قوانين نيوتن للحركة
إن قوانين نيوتن للحركة هي عيارة عن ثلاث قوانين بسيطة ورغم بساطتها تعتبر أساس علم الفيزياء والميكانيك، وهذه القوانين هي:
- يبقى الجسم بحالته الحركية ما لم تؤثر عليه قوة خارجية.
- يتناسب تسارع الجسم طردًا مع القوة المؤثرة عليه، وعكسًا مع كتلة الجسم.
- لكل فعل رد فعل مساٍو له بالشدة ومعاكس بالاتجاه.
وفيما يلي شرح مفصل للقوانين السابقة:
قانون نيوتن الأول
إن الجسم الساكن أو المتحرك بسرعة ثابتة وعلى خط مستقيم يبقى في حالته هذه من سكون أو حركة بالسرعة الثابتة هذه ما لم تؤثر عليه قوة خارجية تعمل على تغير حالته من سكون إلى حركة، أو من حركة إلى سكون، أو تغير سرعته زيادة أو نقصان، أو تغير اتجاه حركته.
وحتى تعمل هذه القوة الخارجية المؤثرة على تغير حالة الجسم يجب أن تكون قوة غير متزنة.
القوى المتزنة والغير متزنة
تكون القوى متزنة في حال ألغت بعضها بعض، كالحالة عندما تقوم أنت وشقيقك بسحب أو دفع الطاولة من اتجاهين متعاكسين، فالطاولة حينها سوف تبقى ثابتة، لأن القوة التي تقوم بها أنت ستلغى بفعل القوة المعاكسة التي يطبقها شقيقك.
أما عندما تكون القوتين باتجاه واحد، أو متعاكستين لكن بشدة مختلفة، فإنها لن تلغي بعضها وبالتالي تكون قوى غير متزنة.
وبالتالي حتى تسبب القوة أو محصلة القوى تغير في حالة الجسم الحركية يجب أن تكون هذه القوى غير متزنة، وذلك تبعًا لقانون نيوتن الأول في الحركة.
قانون نيوتن الثاني
ينص قانون نيوتن الثاني على أنه إذا أثرت قوة ما في جسم فإن تسارع الجسم يتغير باتجاه القوة نفسه، أما مقدار التسارع فهو حاصل قسمة شدة القوة مقاسة بواحدة الـ نيوتن على مقدار كتلة الجسم مقاسة بواحدة الكيلو غرام، ويكون التسارع الناتج بواحدة المتر على ثانية مربع.
مثال:
- عندما تؤثر قوة ما شدتها 100 نيوتن على كرة كتلتها 5 كيلو غرام فإن التسارع الناتج عن هذه القوة، وحسب قانون نيوتن الثاني يكون:
التسارع = القوة / الكتلة
التسارع = 100 / 5
التسارع = 20 متر في الثانية للتربيع
- عندما تدفع كرة كتلتها 0.5 كيلو غرام بقوة مقدارها 20 نيوتن فإن التسارع الناتج يكون:
التسارع = القوة / الكتلة
التسارع = 20 / 0.5
التسارع = 40 متر في الثانية للتربيع.
- إذا دفعت كرة باتجاه معاكس لحركتها عندما كانت تتحرك بتسارع مقداره 50 متر في الثانية، وكانت حينها القوة مساوية إلى 10 نيوتن، وكتلة الكرة 0.5 كيلو غرام فالتسارع الناتج هو:
التسارع = القوة / الكتلة
التسارع = 10 / 0.5
التسارع = 20 متر في الثانية للتربيع.
والقوة كانت تعاكس جهة الحركة فالتسارع الناتج وفقًا لقانون نيوتن الثاني يكون بعكس جهة الحركة أي أنه في هذه الحالة يجب طرحه من التسارع الأساسي، أي التسارع قبل صد الكرة، فيكون.
التسارع = 50 – 20
التسارع = 30 متر في الثانية للتربيع.
علاقة كتلة الجسم بتسارعه
وفقًا لقانون نيوتن الثاني نلاحظ أن الكتلة تتناسب بشكل عكسي مع التسارع، أي وبمعنى أخر كلما زادت كتلة الجسم كلما كان تأثير القوة على تسارعه أقل، وكلما كانت كتلة الجسم أقل كلما كان تأثير القوة على تسارعه أكبر.
لذلك عندمًا ندفع بكرة مصنوعة من الحديد وبكتلة كبيرة نجد أننا نحتاج لقوة كبيرة حتى نؤثر على تسارعها ونجعلها تتحرك بشكل أكبر، أم الكرة التي تحتوي الهواء بداخلها أي بكتلة قليلة، فإننا نستطيع أن نجعلها تتحرك بسرعة كبيرة وذلك بتطبيق قوة صغيرة، أي أن القوة تؤثر على تسارعها بشكل كبير.
علاقة القوة المؤثرة على جسم بتسارعه
وفقًا لقانون نيوتن الثاني نلاحظ أن القوة تتناسب بشكل طردي مع التسارع، أي وبمعنى أخر كلما زادت القوة كلما زاد تأثيرها على التسارع وبشكل أكبر، وكلما كانت القوة أقل شدة وأضعف كلما كان تأثيرها على التسارع أقل.
لذا عندما ندفع كرة ما بقوة كبيرة نسبيًا، فإنها تتحرك بسرعة كبيرة أي أن تسارعها كان كبيرًا، بينما عندما ندفع نفس الكرة ولكن هذه المرة يتم الدفع بقوة صغيرة فإن التسارع يكون قليل للغاية، أي أن الكرة لن تتحرك إلى المسافة التي وصلت إليها في المرة الأولى.
قانون نيوتن الثالث
لكل فعل رد فعل يساويه بالشدة ويعاكسه بالاتجاه.
أي أن قوة الفعل تساوي قوة رد الفعل بالشدة، وقوة الفعل تعاكس قوة رد الفعل في الاتجاه.
ولفهم قانون نيوتن الثالث بشكل عميق يجب أن نلاحظ الأمثلة التالية:
- السباحين في حوض السباحة، إنهم يدفعون الجدار بأقدامهم حتى ينطلقون بسرعة عالية؛ والتفسير العلمي هو أنهم أثروا على الجدار بقوة الفعل، والجدار بدوره أثر بقوة رد الفعل المساوية للفعل والمعاكسة بالاتجاه ما أدى إلى الانطلاق بسرعة بعيدًا عن الجدار.
- عندما تدفع كرة باتجاه الجدار، وتصدم الجدار وتعود إليك؛ إن تفسير ذلك هو بأن الكرة قد أثرت بقوة فعل على الجدار، والجدار بدوره قام بردة الفعل وصد الكرة باتجاهك أي بالاتجاه المعاكس لقوة الفعل وبمقدار القوة ذاته.
تطبيقات قوانين نيوتن فيما يخص الفضاء الخارجي
إن قوانين نيوتن للحركة عامة يمكن تطبيقها على الأرض أو في الفضاء الخارجي، لذا كان تطبيقها في الفضاء من أهم التطبيقات الحديثة المهمة والتي عملت على تغير العالم، وهذه التطبيقات هي:
تطبيق قانون نيوتن الأول
لأن الجسم يبقى بحالته الحركية ما لم تؤثر عليه قوة خارجية، فعندما يرد رائد الفضاء الابتعاد عن المركبة الفضائية فإنه يدفعها، وبالتالي ستدفعه بدورها، وسيكون ذلك عبارة عن قوة تغير من حالة رائد الفضاء الحركية.
تطبيق قانون نيوتن الثاني
إن قوة جذب الأرض للمركبة الفضائية، تعمل على تغير تسارعها، وبالتالي تجعلها تدور في مسارها حول الأرض.
تطبيق قانون نيوتن الثالث
إن احتراق الوقود داخل الصاروخ يولد غازات مختلفة، الأمر الذي يعمل على جعل الصاروخ يدفع بهذه الغازات خارجه (الفعل)، ويكون انطلاق الصاروخ نتيجة دفع الغازات له (رد الفعل).
إن لقوانين إسحاق نيوتن الثلاث أهمية كبيرة في العالم أجمع، فاعتمدت عليها الاختراعات العليمة الكبيرة، وكانت المساهم الرئيسي في التطور الحاصل في علوم الحركة والسكون.
وإسحاق نيوتن سوف يبقى في ذاكرتنا وذاكرة العالم ككل من أجيال سابقة وأجيال قادمة، بداية مع أسطورة التفاحة التي وقعت على رأسه وحتى اكتشافه للجاذبية الأرضية.
ويجب الإشارة إلى أنه مازال لإسحاق نيوتن بعض الاكتشافات العليمة التي لا تزال غامضة والتي أخفاها هو، وطلب إخفائها من صديقه “روبرت بويل”، فهذه الاكتشافات ستشكل صدمة للعالم لو تم الكشف عنها، وظهر ذلك في رسالة وجهها نيوتن إلى “روبرت بويل” طالبًا منه إخفاء اكتشافاته الغامضة تلك.
