مقال عن قانون نيوتن للحركة
1. تعريف القوة
القوة هي ما يُسبب تسارع الأجسام. بعبارة أخرى، القوة هي ما يُحرك الجسم أو يُوقفه أو يُغير اتجاه حركته. القوة كمية متجهة، وبالتالي، لها مقدار واتجاه. رمز القوة هو F (قوة). F هو الرمز العام للقوة. هناك أنواع عديدة من القوى، وليس كل القوى لها الرمز F. وحدة النظام الدولي للوحدات هي كجم.م/ث²، وتُعرف أيضًا باسم نيوتن.
2. تعريف القوة المحصلة
القوة المحصلة (ΣF) هي مجموع جميع القوى المؤثرة على الجسم. القوة كمية متجهة، لذا تُحسب القوة الكلية بناءً على قاعدة جمع المتجهات.
القوة الكلية = 10 نيوتن، واتجاه القوة الكلية إلى اليمين.
القوة الكلية = 8 نيوتن، واتجاه القوة الكلية إلى اليمين.
القوة الكلية = 0
القوة الكلية = 0
3. قوانين نيوتن للحركة
قوانين نيوتن للحركة هي قوانين الفيزياء المتعلقة بحركة الأجسام التي اقترحها الفيزيائي الإنجليزي إسحاق نيوتن.
3.1 قانون نيوتن الأول
ينص قانون نيوتن الأول على أن كل جسم ساكن يبقى ساكناً، أو أن كل جسم يتحرك في خط مستقيم بسرعة ثابتة
سيستمر الجسم في التحرك بشكل مستقيم وبسرعة ثابتة إذا كانت القوة الكلية المؤثرة عليه تساوي صفرًا.
ΣF = 0
هذه المعادلة هي بيان رياضي من قانون نيوتن الأول.
انظر إلى جسم من حولك، مثل طاولة أو حجر أو أي جسم آخر. الطاولة الساكنة ستبقى ساكنة ما لم تُحرّك أو تُؤثر عليها قوة خارجية كالدفع أو السحب. هل يعني هذا أنه لا توجد قوة تؤثر على الطاولات أو الصخور أو الأجسام الساكنة؟ في الواقع، هناك قوة تؤثر على الجسم، لكن مجموع القوى المؤثرة عليه، أو القوة الكلية، يساوي صفرًا. القوى المؤثرة على الأجسام الموجودة على سطح الكواكب كالأرض هي الجاذبية (ω) والقوة العمودية (N). اتجاه قوة الجاذبية عمودي على مركز الأرض، واتجاه القوة العمودية عمودي على السطح. مقدار هاتين القوتين متساوٍ، لكنهما متعاكستان في الاتجاه، لذا فإن مجموع القوى يساوي صفرًا.
ماذا عن الأجسام التي تتحرك في خط مستقيم بسرعة ثابتة؟ لتوضيح هذه المسألة، لنفترض أنك تدفع جسمًا، كقطعة معدنية مثلًا، على سطح الأرض. بعد الدفع، تباطأت حركة المعدن وتوقفت بسبب الاحتكاك. لكي تتحرك القطع المعدنية لمسافة أبعد أو لفترة أطول، يجب أن يكون سطح الأرض وسطح الصفيحة المعدنية أملسين. إذا كان سطح الأرض أملسًا ولا يوجد احتكاك، فستستمر الصفيحة المعدنية في الحركة ولن تتوقف. هل يعني هذا أنه لا توجد قوة تؤثر على الصفيحة المعدنية المتحركة على سطح أرضية ملساء تمامًا؟ في الواقع، هناك قوى تؤثر على الصفائح المعدنية، وهي قوة الجاذبية وقوة رد الفعل العمودية. تعمل هاتان القوتان في الاتجاه الرأسي ولا تؤثران على حركة الصفائح المعدنية في الاتجاه الأفقي إذا كانت الأرضية ملساء.
ينص قانون نيوتن الثاني على أنه إذا لم تكن محصلة القوى المؤثرة على جسم ما تساوي صفرًا، فإن الجسم سيتسارع. يتناسب مقدار التسارع طرديًا مع مقدار محصلة القوى وعكسيًا مع كتلة الجسم. ويكون اتجاه التسارع هو نفسه اتجاه محصلة القوى.
ΣF = ma
ΣF = القوة الكلية (كجم م/ث² ) ، m = الكتلة (كجم)، a = التسارع (م/ ث² )
المعادلة 1.2 هي عبارة رياضية من قانون نيوتن الثاني.
إذا كان التسارع يساوي صفرًا (a = 0)، فإن المعادلة 1.2 تتحول إلى المعادلة 1.1. لذا، فإن قانون نيوتن الأول هو حالة خاصة من قانون نيوتن الثاني. بناءً على المعادلة 1.2، نستنتج أنه كلما زادت القوة، زاد التسارع. وعلى العكس، كلما زادت الكتلة، قلّ التسارع. يتضح فهم العلاقة بين القوة والكتلة والتسارع بشكل أفضل بعد إجراء تجربة عملية في هذا الشأن.
مثال توضيحي 1:
حدد مقدار واتجاه تسارع الأجسام بناءً على الشكل أعلاه...
حل:
ΣF = ma
4 كجم م/ث² = (1 كجم) أ
أ = 4 كجم م/ث 2 : 1 كجم = 4 م/ث 2
مقدار التسارع = 4 م/ث² ، واتجاه التسارع إلى اليمين.
مثال توضيحي 2:
حدد مقدار واتجاه التسارع بناءً على الشكل أعلاه...
حل:
ΣF = ma
4 كجم م/ث 2 - 1 كجم م/ث 2 = (1 كجم) أ
3 كجم م/ث² = (1 كجم) أ
a = 3 kg m/s 2 : 1 kg
a = 3 م/ ث²
مقدار التسارع = 3 م/ث² ، واتجاه التسارع إلى اليمين.
3.2.1 الوزن (w)
الوزن هو قوة الجاذبية المؤثرة على جسم ذي كتلة.
ΣF = ma
w = mg
المعادلة 1.3 هي معادلة لحساب وزن جسم ما.
w = الوزن (كجم م/ث² ) ، m = الكتلة (كجم)، g = تسارع الجاذبية (م/ث² ) . مقدار تسارع الجاذبية (g) على سطح الأرض هو 9.8 م/ث² . ولتبسيط الحسابات، تم تقريب g إلى 10 م/ ث².
3.2.2 القوة العمودية (نيوتن)
القوة العمودية هي القوة المؤثرة على جسمين يتلامسان، ويكون اتجاه القوة العمودية عموديًا على سطح مستوى التلامس.
لاحظ الأجسام التي لا تزال فوق سطح الطاولة. تؤثر قوة الجاذبية أو الوزن أيضًا على الجسم. لا تسقط الأجسام سقوطًا حرًا كالثمار المتساقطة من الشجرة لوجود قوة رد فعل عمودية. الوزن (w) وقوة رد الفعل العمودية (N) متساويان في الاتجاه ومتعاكسان فيه، لذا فإن محصلة القوى المؤثرة على الجسم تساوي صفرًا.
ΣF = 0
N – w = 0
N = w
3.3 قانون نيوتن الثالث
ينص قانون نيوتن الثالث على أنه إذا أثر الجسم 1 بقوة على الجسم 2، فإن الجسم 2 يؤثر بدوره بقوة على الجسم 1. القوتان متساويتان، لكن اتجاههما متعاكس. تُسمى إحدى القوتين فعلًا، والأخرى رد فعل.
قوة الفعل = - قوة رد الفعل
المعادلة 1.3 هي عبارة رياضية من قانون نيوتن الثالث. تشير الإشارة السالبة في المعادلة 1.3 إلى اتجاه القوة.
جرّب لتفهم قانون نيوتن الثالث بشكل أفضل. إذا كان لديك لوح تزلج، ادفع الجدار وأنت واقف عليه. بعد دفع الجدار، يتحرك لوح التزلج للخلف. اتجاه قوتك للأمام، بينما اتجاه لوح التزلج للخلف.
هذا يدل على أن الجدار يؤثر عليك أيضاً. فعندما تدفع الجدار، يدفعك الجدار في الوقت نفسه. تؤثر قوة دفعك على الجدار، بينما تؤثر قوة دفع الجدار عليك. القوتان متماثلتان لكنهما متعاكستان في الاتجاه. يمكنك تسمية إحدى القوتين بفعل والأخرى برد فعل.
تجربة أخرى يمكن إجراؤها هي نفخ بالون مطاطي، وبعد أن يتمدد البالون نتيجة امتلائه بالهواء، يتم إطلاقه. بعد إطلاقه، يصبح البالون "طائرًا". ويكون اتجاه حركة البالون معاكسًا لاتجاه خروج الهواء منه. كيف يمكن تفسير ذلك؟
عند فتح فوهة البالون، يدفع البالون الهواء للخارج. وفي الوقت نفسه، يدفع الهواء البالون أيضًا. قوة دفع الهواء هي التي تجعل البالون يطير. قوة البالون تؤثر عليه، وقوة الهواء تؤثر عليه. القوتان متساويتان، لكن اتجاههما متعاكس.
لاحظ الشكل 2 وقارنه بالشكل 3. القوة العمودية المؤثرة على جسم (N) هي القوة التي يُحدثها سطح مستوٍ، مثل سطح طاولة. في الوقت نفسه، تُؤثر الأجسام أيضًا بقوة على سطح الطاولة (N'). هاتان القوتان العموديتان (N وN') لهما نفس المقدار، لكنهما متعاكستان في الاتجاه وتؤثران على جسمين مختلفين. على عكس w وN اللتين لهما نفس المقدار وتؤثران على نفس الجسم. لذا، فإن N وN' هما قوتان فعل ورد فعل.
