قوانين نيوتن للحركة

قوانين نيوتن للحركة هي ثلاث عبارات تصف العلاقات بين القوى المؤثرة على الجسم وحركة الجسم، والتي صاغها أولاً عالم الفيزياء والرياضيات الإنجليزي إسحاق نيوتن وتشكل أساس الميكانيكا الكلاسيكية.

ما هو مفهوم الحركة؟ وما هي قوانين نيوتن للحركة؟

قانون نيوتن الأول : قانون القصور الذاتي

ينص قانون نيوتن الأول على أنه إذا كان الجسم في حالة ساكنة أو يتحرك بسرعة ثابتة في خط مستقيم، فإنه سيبقى في حالة ساكنة أو يستمر في التحرك في خط مستقيم بسرعة ثابتة ما لم تؤثر به قوة خارجية تجبره على تغيير ذلك. في الواقع، لا يوجد فرق هام بين السكون والحركة المحددة في خط مستقيم في ميكانيكا نيوتن الكلاسيكية حيث يمكن اعتبارهما نفس حالة الحركة التي يراها مراقبون مختلفون أحدهما يتحرك بنفس سرعة الجسيم والآخر يتحرك بسرعة ثابتة بالنسبة للجسيم. تُعرف هذه الفرضية بقانون القصور الذاتي.

صاغ جاليليو جاليلي قانون القصور الذاتي لأول مرة للحركة الأفقية على الأرض، ثم عمّمه رينيه ديكارت لاحقًا.وعلى الرغم من أن مبدأ القصور الذاتي هو نقطة البداية والافتراض الأساسي للميكانيكا الكلاسيكية، إلا أنه أقل وضوحاً للعين غير المدربة. ففي ميكانيكا أرسطو وفي التجربة العادية، تميل الأشياء التي لا يتم دفعها إلى السكون، ومن هنا استنتج جاليليو قانون القصور الذاتي من تجاربه مع الكرات التي تتدحرج إلى أسفل الطائرات المائلة.

كان مبدأ القصور الذاتي بالنسبة لجاليليو أساسيًا لمهمته العلمية المركزية، حيث كان عليه أن يشرح كيف يمكن للأرض أن تدور حقًا حول محورها وتدور حول الشمس بدون أن نشعر بهذه الحركة. يساعد مبدأ القصور الذاتي على تقديم الإجابة وهي: نظرًا لأننا نتحرك مع الأرض وتوجهنا الطبيعي هو الحفاظ على هذه الحركة، فإن الأرض تبدو لنا في حالة سكون. وهكذا، فإن مبدأ القصور الذاتي برغم كونه بيانًا لما هو واضح، كان ذات يوم قضية مركزية للخلاف العلمي.

بحلول الوقت الذي قام فيه نيوتن بفرز جميع التفاصيل، كان من الممكن حساب الانحرافات الصغيرة عن هذه الصورة بدقة بسبب حقيقة أن حركة سطح الأرض ليست حركة محددة في خط مستقيم. تُعزى الملاحظة الشائعة في الصيغة النيوتونية بأن الأجسام التي لا يتم دفعها تميل إلى السكون إلى حقيقة أن لديها قوى غير متوازنة تعمل عليها مثل الاحتكاك ومقاومة الهواء.

قانون نيوتن الثاني

 F = maالقوة = الكتلة  x السرعة

إنّ قانون نيوتن الثاني هو وصف كمي للتغييرات التي يمكن أن تنتجها القوة على حركة الجسم. حيث ينص على أن تسارع الجسم والذي يكتسبه نتيجة لقوة دفع ما يتناسب تناسباً طرديّاً مع مجموع القُوَى المؤثّرة فيه ويكون في اتجاهها. أي إن قوة دفع الجسم تساوي حاصل ضرب كتلته وسرعته. وتُعدُّ قوة الدفع مثل السرعة، عبارة عن كَمّيَّة متجهة لها مقدار واتجاه حيث يمكن للقوة المطبقة على الجسم أن تغير مقدار قوة الدفع أو اتجاهه أو كليهما، ويعدّ قانون نيوتن الثاني أحد أهم قوانين الفيزياء.

قانون نيوتن الثالث

قانون الفعل ورد الفعل

ينص قانون نيوتن الثالث على أنه عندما يتفاعل جسمان فإنهما يطبقان قوى على بعضهما البعض متساوية في الحجم ومتعاكسة في الاتجاه، ويُعرف القانون الثالث أيضًا باسم قانون الفعل ورد الفعل. يعدّ هذا القانون مهماً في تحليل مشكلات التوازن الثابت حيث تكون جميع القُوَى متوازنة، ولكنه ينطبق أيضًا على الأجسام في حركة موحدة أو متسارعة. إنّ القوى التي يصفها هذا القانون هي قُوَى حقيقية، فعلى سبيل المثال: الكتاب الموضوع على طاولة يطبق قوة هبوط مساوية لوزنه على الطاولة، وطبقًا للقانون الثالث فالطاولة تطبق قوة مساوية ومعاكسة للكتاب.

إذا كان لجسم ما محصلة قوة تؤثر عليه، فإنه يخضع لحركة متسارعة وفقًا للقانون الثاني. وإذا لم تكن هناك محصلة قوة تؤثر على الجسم إما بسبب عدم وجود قُوَى على الإطلاق أو لأن جميع القُوَى متوازنة بدقة من خلال قوى معاكسة، فإن الجسم لا يتسارع ويمكن القول أنه في حالة توازن. وعلى العكس من ذلك، فإن الجسم الذي يُلاحظ أنه لا يتسارع قد يُستنتج أنه ليس لديه محصلة قوة تؤثر عليه.

تأثير قوانين نيوتن

ابتكر نيوتن هذا العلم الجديد في كتاب المبادئ، حيث طوّر قوانينه الثلاثة من أجل شرح سبب كون مدارات الكواكب بيضاوية وليست دائرية، وقد نجح ليس فقط في ذلك ولكنه أيضاً قام بتوضيح أشياء أكثر من ذلك بكثير. تُعرف سلسلة الأحداث من كوبرنيكوس إلى نيوتن مجتمعة بالثورة العلمية.

تم استبدال قوانين نيوتن بميكانيكا الكم والنسبية كأهم قوانين الفيزياء في القرن العشرين. ومع ذلك تستمر قوانين نيوتن في تقديم وصف دقيق للطبيعة باستثناء الأجسام الصغيرة جدًا مثل الإلكترونات أو الأجسام التي تتحرك تقريباً بسرعة الضوء.