هل تساءلت يومًا عن كيفية حركة الأشياء من حولك؟ سببها وآلية عملها؟  تمرُّ يوميًا أمامنا تفاصيل لها دوافع حركية ولكن هذه التفاصيل قد لا ندركها ولا ندرك كيفية حدوثها، هذه التفاصيل قد لا يدركها سوى الفيزيائي. فالفيزياء موجودة في كل مكان، ويمكننا القول إن العالم كله محكوم بالفيزياء. ومن هذه الفيزياء قوانين نيوتن التي تحكم علم الحركة.

قوانين نيوتن

وُلد العالم الكبير إسحاق نيوتن الملقب بأبي العلم الحديث في 4 يناير 1643 في المملكة المتحدة في وولسثورب-كولستروورث، وتوفي في 31 مارس 1727 في لندن في المملكة المتحدة. هذا العالِم الذي اكتسب شهرةً واسعةً في الرياضيات والفيزياء.1

درس البصريات وعلم الفلك واخترع حساب التفاضل والتكامل، كما اشتهر نيوتن بعمله في دراسة الجاذبية وحركة الكواكب. استمد أفكاره من العلماء السابقين مثل غاليليو وأرسطو وأثبت العديد من النظريات، وقام بصياغة أهم القوانين الفيزيائية في الحركة والتي تتمتع بأهمية كبيرة في علم الفيزياء لما تقدمه من تفسيرات للظواهر والأنظمة الفيزيائية. جمعها في عمل يسمى (Philosophiae Naturalis Principla Mathematica) مبادئ الرياضيات للفلسفة الطبيعية، واصفًا فيه هذه قوانين نيوتن الثلاثة ومستخدمًا إياها في تفسير واستكشاف حركة الأجسام والأنظمة المادية. هذه القوانين تعد أساس الميكانيكا، كما توضح العلاقة بين القوى المؤثرة على الجسم والنواتج عن هذه القوى.2

قانون نيوتن الأول

ويُعرف أيضًا بقانون القصور الذاتي، أول من وضعه (غاليلو جاليلي Galileo Galilei) للحركة الأفقية على الأرض وعمّمها فيما بعد (رينيه ديكارت René Descartes). وينص قانون نيوتن الأول على أن الجسم الثابت أو المتحرك بسرعة ثابتة في خط مستقيم يبقى ساكنًا أو يواصل التحرك في خط مستقيم بسرعة ثابتة ما لم يتعرض لقوة مباشرة تغير من حالته.

فالقوى الخارجية (غير المتوازنة) هي التي تؤثر على حالة الأجسام وتغير من شكلها وسرعتها واتجاهها، وعند بقاء الجسم على حالته (السكون أو الحركة) تكون جميع القوى المؤثرة عليه متوازنة.3

مثال

عندما تسير الحافلة فجأةً، يتراجع الركاب الموجودين داخلها، ويعود هذا إلى قانون نيوتن الأول للحركة ويمكن تفسيره على النحو التالي: بحركة الحافلة المفاجئة يتحرك الجزء السفلي من جسم الراكب السفلي الذي كان على اتصال مباشر مع الحافلة بينما الجزء العلوي من الجسم يميل إلى الاحتفاظ بحالة الراحة بسبب الجمود؛ نتيجةً لذلك يتراجع الراكب.4

قَانون نيوتن الثاني

يتضمن قانون نيوتن الثاني وصف حركة الأجسام ذات القوى غير المتوازنة، ويقول: عندما يخضع جسم ضخم لقوة ثابتة فإنها تحركه إذا كان ثابتًا وتزيد من سرعته أو تعمل على تباطؤها إذا كان متحركًا، بما يتوافق مع القوة المؤثرة. وتكون السرعة متناسبة طردًا مع مقدار واتجاه القوة وعكسًا مع كتلة الجسم. يتم التعبير عن هذا القانون من خلال المعادلة التالية: F=ma

  • F= القوة
  • m=الكتلة
  • a= التسارع

أي حاصل ضرب الكتلة بالتسارع يساوي القوة المؤثرة على جسم.5

مثال

عند ركل كرة القدم، تندفع الكرة باتجاه الأعلى في الهواء، هنا تخضع الكرة لمحصلة قوى. وعندما تبدأ الكرة في الهبوط وتتوقف في النهاية، تخضع الكرة لمحصلة قوى أيضًا. ينص قانون نيوتن الثاني على أنه “عندما تؤثر قوة على جسم ما، فإنها تكسبه تسارعًا يتناسب طردًا مع القوة وعكسًا مع كتلة الجسم” أي أن سرعته تتغير بين لحظة وأخرى. عندما تركل كرة القدم لأول مرة فإنها تتسارع، وعندما تبدأ كرة القدم في التباطؤ يتغير تسارعها أيضًا بقيمة سالبة (حالة تباطؤ).6

قانون نيوتن الثالث

يوضح هذا القانون ما يحدث للجسم عندما يطبق قوة على جسم آخر. يتم نظام عمل القوى ضمن أزواج، فأي قوة يطبقها جسم على جسم آخر، يبادله الأخير بقوة مماثلة ومساوية بالقدر ومعاكسة بالاتجاه. باختصار لكل فعل ردة فعل، حيث تكون القوة التي يطبقها الجسم الأول هي الفعل والقوة المقاوِمة لذلك هي رد الفعل. فلا يمكن أن يكون هناك فعل دون وجود ردة فعل. مثلًا عند سحب الحبل يطبق الحبل قوة مقاومة مساوية لقوة السحب. فعندما يطبق الجسم A قوة F على الجسم B، فإن الجسم B يرد بقوة مساوية ومعاكسة −F مرة أخرى على الجسم A. يمكننا تبسيط هذا القانون بالمعادلة التالية FAB = −FBA

المصطلح AB يشير إلى أن A يطبق قوة على B، وBA يشير إلى أن B يطبق قوة على A، فيما تدل علامة الطرح إلى أن القوتين في اتجاهين متعاكسين. ع.

مثال

عند إطلاق صاروخ في الفضاء الخارجي، فإنه ينفث غازات الاحتراق للخلف بسرعة كبيرة، يطبق الصاروخ قوة كبيرة على الغاز، ويقاوم الغاز بردة فعل مساوية ومعاكسة للأمام على الصاروخ، مما يساعد على انطلاق الصاروخ بسرعة كبيرة. وتسمى هذه القوة التوجه وتستخدم في السيارات والطائرات أيضًا.7

المراجع