የኒውተን አንጻራዊነት፡ የእንቅስቃሴ እና የስበት ኃይል የመጀመሪያ ግንዛቤ

የኒውተን አንጻራዊነት፡ የእንቅስቃሴ እና የስበት ኃይል የመጀመሪያ ግንዛቤ

ፔንዳሁሉአን

በታሪክ ውስጥ ከፍተኛ ተደማጭነት ካላቸው ሳይንቲስቶች አንዱ የሆነው አይዛክ ኒውተን ስለ አጽናፈ ዓለም ያለንን ግንዛቤ በእጅጉ ያሻሻሉ ንድፈ ሐሳቦችን አዘጋጅቷል። በ1687 የታተመው “ፊሎሶፊዬ ናቹራሊስ ፕሪንሲፒያ ማቲማቲካ” የተሰኘው ድንቅ ሥራው የእንቅስቃሴ ህጎችን እና የአለም አቀፍ የስበት ህግን አስተዋውቋል። ምንም እንኳን የንጽጽር ጽንሰ-ሀሳብ፣ ዛሬ በተለምዶ እንደሚታወቀው፣ ብዙውን ጊዜ ከአልበርት አንስታይን የተወሰደ ቢሆንም፣ የንጽጽር ጽንሰ-ሀሳብ ለመጀመሪያ ጊዜ የተቀረፀው በኒውተን በክላሲካል ሜካኒክስ አውድ ውስጥ ነው። ይህ ጽሑፍ የኒውተንን የንጽጽር መርሆዎች፣ ለእንቅስቃሴ እና ለስበት ግንዛቤ ያላቸውን አንድምታ እና እነዚህ ሀሳቦች እስከ አንስታይን አንጻራዊነት ዘመን ድረስ እንዴት እንደተሻሻሉ ይመረምራል።

የኒውተን የእንቅስቃሴ ህጎች

የኒውተን የእንቅስቃሴ ህጎች የክላሲካል ሜካኒክስ መሰረት ሲሆኑ የአንድ ነገር እንቅስቃሴ እና በእሱ ላይ በሚንቀሳቀሱ ኃይሎች መካከል ያለውን ግንኙነት የሚገልጹ ሶስት ህጎችን ያቀፉ ናቸው። እነዚህ ሶስት ህጎች፡

1. የኒውተን የመጀመሪያ ህግ (የኢነርቲያ ህግ)፡
"እያንዳንዱ ነገር በእረፍት ላይ ይቆያል ወይም ቀጥተኛ በሆነ ፍጥነት ይንቀሳቀሳል፤ ውጫዊ ኃይል ያንን ሁኔታ ለመለወጥ ካልሞከረ በስተቀር።"

ይህ ህግ የኢነርቲያን አስፈላጊነት ማለትም አንድ ነገር የእንቅስቃሴውን ሁኔታ የመጠበቅ ዝንባሌን ያጎላል። በአንፃራዊነት አውድ ውስጥ፣ ይህ ማለት በሁለት ነገሮች መካከል ያለው አንጻራዊ እንቅስቃሴ አንድ ኃይል እስካልተተገበረ ድረስ አይለወጥም ማለት ነው።

2. የኒውተን ሁለተኛ ህግ፡
"የአንድ ነገር ፍጥነት መጨመር በእሱ ላይ ከሚሠራው ኃይል ጋር በቀጥታ ተመጣጣኝ እና ከክብደቱ ጋር በተገላቢጦሽ ተመጣጣኝ ነው። በሂሳብ፣ ይህ እንደ F = ma ይገለጻል።"

እዚህ ላይ፣ ኃይል (F) የጅምላ (m) እና የፍጥነት (a) ውጤት ነው። ይህ ህግ የአንድ ነገር እንቅስቃሴ በኃይል አጠቃቀም እንዴት ሊለወጥ እንደሚችል ያሳያል። በአንፃራዊነት አውድ ውስጥ፣ ይህ ማለት በአንድ ነገር ላይ የሚሠራ ኃይል አንጻራዊ እንቅስቃሴውን ይለውጣል ማለት ነው።

3. የኒውተን ሶስተኛ ህግ፡
"እያንዳንዱ እርምጃ እኩል እና ተቃራኒ ምላሽ ያስገኛል።"

ይህ ህግ ኃይሎች ሁልጊዜ በጥንድ እንደሚከሰቱ ያብራራል። ነገር A በነገር B ላይ ኃይል የሚያንቀሳቅስ ከሆነ፣ ነገር B በነገር A ላይ እኩል ግን ተቃራኒ ኃይል ያመነጫል። ይህ በተዘጋ ስርዓት ውስጥ ባሉ ነገሮች መካከል ያለውን መስተጋብር ለመረዳት አስፈላጊ ነው።

የኒውተን ሁለንተናዊ የስበት ኃይል ህግ

የኒውተን ሁለንተናዊ የስበት ሕግ እንደሚገልጸው በአጽናፈ ዓለም ውስጥ ያለ እያንዳንዱ ቅንጣት ከሁለቱ ቅንጣቶች ብዛት ውጤት ጋር በቀጥታ ተመጣጣኝ እና በመካከላቸው ካለው ርቀት ካሬ ጋር በተገላቢጦሽ ተመጣጣኝ በሆነ ኃይል እያንዳንዱን ሌላ ቅንጣት ይስባል። በሂሳብ አነጋገር፣ ይህ ሕግ እንደሚከተለው ተገልጿል፡

\[ F = G \frac{m_1 m_2}{r^2} \]

የት፡
– \( F \) በሁለት ቅንጣቶች መካከል ያለው የስበት ኃይል ነው።
– \( G \) ሁለንተናዊ የስበት ኃይል ቋሚ ነው።
– \( m_1 \) እና \( m_2 \) የሁለቱ ቅንጣቶች ክብደት ናቸው።
– \( r \) በሁለቱ ቅንጣቶች የክብደት ማዕከላት መካከል ያለው ርቀት ነው።

የኒውተን የስበት ሕግ እንደ ፕላኔቶች ምህዋር እና በምድር ገጽ ላይ ያሉ የነገሮች እንቅስቃሴ ያሉ ክስተቶችን ለመረዳት መሰረት ይሰጣል። እንዲሁም የስበት ኃይል በስበት መስክ ውስጥ የነገሮችን አንጻራዊ እንቅስቃሴ የሚነካ ኃይል ስለሆነ በኒውተን አንጻራዊነት ጽንሰ-ሀሳብ ውስጥ ወሳኝ ሚና ይጫወታል።

የኒውተን አንጻራዊነት

የኒውቶኒያን አንጻራዊነት ወይም የበለጠ በትክክል የኒውተን አንጻራዊነት መርህ፣ በአንድ ኢንተሪያል ማጣቀሻ ፍሬም ውስጥ የሚተገበሩ የፊዚክስ ህጎች በሌሎች ኢንተሪያል ማጣቀሻ ፍሬሞች ሁሉ ላይም ተፈጻሚነት ያላቸው የሚለው ጽንሰ-ሀሳብ ነው። ይህ ማለት ምንም ልዩ ኢንተሪያል ማጣቀሻ ፍሬም የለም ማለት ነው፤ ሁሉም የእንቅስቃሴ ህጎች እርስ በእርስ በቋሚ ፍጥነት በሚንቀሳቀስ በማንኛውም ፍሬም ውስጥ በእኩል ይተገበራሉ።

የክላሲካል አንጻራዊነት መርህ

የኒውተን የአንጻራዊነት መርህ እንደሚከተለው ሊጠቃለል ይችላል፡
– የጋሊሊያን ለውጦች፡- በንዑስ ማጣቀሻ ፍሬም ውስጥ የእንቅስቃሴ እኩልታዎች ከአንድ ፍሬም ወደ ሌላ ፍሬም ከመጀመሪያው አንፃር በቋሚ ፍጥነት የሚንቀሳቀሱ የእኩልታዎችን ቅርፅ ሳይቀይሩ ሊለወጡ ይችላሉ።

የጋሊሊያን ለውጦች የቦታ-ጊዜ መጋጠሚያዎች በሁለት ኢነርጂያል ማጣቀሻ ክፈፎች መካከል እንዴት እንደሚለዋወጡ ይገልጻሉ። ሁለት ኢነርጂያል ማጣቀሻ ክፈፎች S እና S' ካሉ እንበል፣ S' ከS ጋር ሲነጻጸር በቋሚ ፍጥነት \( v \) ይንቀሳቀሳል። \( (x፣ y፣ z፣ t) \) በፍሬም S እና \( (x'፣ y'፣ z'፣ t') \) በፍሬም S' ውስጥ መጋጠሚያዎች ከሆኑ፣ የጋሊሊያን ለውጦች እንደሚከተለው ሊገለጹ ይችላሉ፡

\[ x' = x – vt \]
\[y' = y \]
\[z' = z \]
\[t' = t \]

ይህ ለውጥ የሚያሳየው ጊዜ በሁሉም ኢነርቲያል ማጣቀሻ ክፈፎች ውስጥ ፍፁም እና ተመሳሳይ መሆኑን ነው፣ ይህም በክላሲካል ሜካኒክስ ውስጥ መሠረታዊ እይታ ነው።

የኒውተን አንጻራዊነት አንድምታዎች

የኒውተን አንጻራዊነት በክላሲካል ፊዚክስ ውስጥ በርካታ ጠቃሚ አንድምታዎች አሉት፡

1. የእንቅስቃሴ መቆራረጥ እና አንጻራዊ እንቅስቃሴ፡
በአንድ ኢነርቲያል የማጣቀሻ ፍሬም ውስጥ በቋሚ ፍጥነት የሚንቀሳቀስ ነገር በሌላ ኢነርቲያል የማጣቀሻ ፍሬም ውስጥ በቋሚ ፍጥነት መንቀሳቀሱን ይቀጥላል፣ ይህም በኒውተን የኢነርቲያል መርህ መሠረት ነው። ይህ ማለት በሁለት ነገሮች መካከል ያለው አንጻራዊ እንቅስቃሴ አንድ ኃይል በእነሱ ላይ እስካልተንቀሳቀሰ ድረስ አይለወጥም ማለት ነው።

2. የሞመንተም ጥበቃ፡
በንዑስ አቅጣጫዊ የማጣቀሻ ማዕቀፍ ውስጥ፣ የተዘጋ ስርዓት አጠቃላይ ሞመንተም በስርዓቱ ላይ ምንም አይነት ውጫዊ ኃይሎች ካልተንቀሳቀሱ ቋሚ ሆኖ ይቆያል። ይህ መርህ የሞመንተም ጥበቃ ህግ መሰረት ሲሆን ይህም በእቃዎች መካከል ግጭቶችን እና መስተጋብርን ለመረዳት አስፈላጊ ነው።

3. የስበት ኃይል እና የምህዋር እንቅስቃሴ፡
የኒውተን የስበት ሕግ የፕላኔቶችን እና የሌሎች የሰማይ አካላትን እንቅስቃሴ ለመተንበይ ያስችለናል። በኒውተን አንጻራዊነት አውድ ውስጥ፣ ሁሉም ፕላኔቶች ተመሳሳይ የስበት ሕግን ያከብራሉ እና በኒውተን የእንቅስቃሴ ህጎች መሰረት በየራሳቸው ኢነርቲሻል የማጣቀሻ ማዕቀፎች ውስጥ ይንቀሳቀሳሉ።

ወደ አንስታይን አንጻራዊነት የሚደረግ ሽግግር

የኒውቶኒያን አንጻራዊነት እንቅስቃሴንና ስበትን ለመረዳት ጠንካራ መሠረት ቢሰጥም፣ ገደቦች ነበሩት። እንደ ብርሃን የማያቋርጥ ፍጥነት እና በከፍተኛ ፍጥነት አንጻራዊ ተፅእኖዎች ያሉ አንዳንድ ክስተቶች በክላሲካል የኒውቶኒያን ሜካኒክስ ሊብራሩ አልቻሉም። ይህም የአልበርት አንስታይን የልዩ እና አጠቃላይ አንጻራዊነት ንድፈ ሐሳቦች በ20ኛው ክፍለ ዘመን መጀመሪያ ላይ እንዲዳብሩ ምክንያት ሆኗል።

ልዩ አንጻራዊነት

የአንስታይን ልዩ የአንጻራዊነት ንድፈ ሐሳብ፣ በ1905 የተጀመረ፣ ስለ ኒውተን መካኒክስ በርካታ መሠረታዊ ግምቶችን አሻሽሏል። ከማዕከላዊ ግምቶቹ አንዱ በቫክዩም ውስጥ ያለው የብርሃን ፍጥነት ቋሚ እና ከተመልካቹ ፍጥነት የተለየ መሆኑ ነው። ይህ የኒውተንን ስለ ፍፁም ጊዜ ያለውን አመለካከት የሚቃረን ሲሆን የጊዜ መስፋፋት እና የርዝመት መኮማተር በአንጻራዊ ፍጥነት ፅንሰ-ሀሳቦችን አስከትሏል።

አጠቃላይ አንጻራዊነት

በ1915 በአንስታይን የታተመው አጠቃላይ አንጻራዊነት የኒውተንን የስበት ሕግ በመተካት የስበት ኃይል በጅምላና በኃይል የሚፈጠረው የጠፈር-ጊዜ ኩርባ ነው በሚለው ፅንሰ-ሀሳብ ተክቷል። ይህ ንድፈ ሐሳብ የኒውተን የስበት ሕግ ሊያብራራው የማይችለውን እንደ ሜርኩሪ ፕላኔት ምህዋር እና ጥቁር ቀዳዳዎች ያሉ ጠንካራ የስበት ክስተቶችን በትክክል ያብራራል።

ከሲምፑላን

የኒውተን አንጻራዊነት፣ የእንቅስቃሴ ህጎች እና ሁለንተናዊ የስበት ኃይል፣ ስለ አጽናፈ ዓለም ያለንን ግንዛቤ የለወጠው የክላሲካል ፊዚክስ ወሳኝ መሠረት ነው። የኒውተን አንጻራዊነት መርሆዎች በንዑስ ማጣቀሻ ክፈፎች ውስጥ ስለ እንቅስቃሴ እና መስተጋብር ወጥ የሆነ እይታ ይሰጣሉ። ምንም እንኳን በመጨረሻ በአንስታይን አንጻራዊነት ቢተካም፣ የኒውተን ቅርስ ከፕላኔቶች እንቅስቃሴ እስከ ዕለታዊ ተለዋዋጭነት ድረስ የተፈጥሮ ክስተቶችን ለማጥናት እና ለመረዳት ኃይለኛ መሠረት ሆኖ ቀጥሏል።