تطبيقات قوانين نيوتن

إسحاق نيوتن

إسحاق نيوتن هو عالم رياضي وفيزيائي عظيم حصل على رتبة أستاذ في الرياضيات في جامعة كامبردج وهو في عمر السادسة والعشرين. وضع العالم نيوتن القوانين الأساسية في الميكانيكا، والتي اشتهرت بقوانين نيوتن في الحركة، كما قدم العديد من الإنجازات التي أفادت البشرية، مثل: قانون الجاذبية، واكتشافاته في الضوء، وغيرها من الإنجازات العديدة.^[١]

تطبيقات قوانين نيوتن

الصاروخ

يُعدّ مبدأ عمل الصاروخ أحد التطبيقات الشائعة لقانون نيوتن الثالث، حيث ينطلق الصاروخ إلى أعلى بسرعة عالية كرد فعل للغازات المنبعثة من الأسفل نتيجة الاحتراق الذي يؤدي إلى ارتفاع درجات الحرارة التي تؤدي بدورها إلى تمدد الغازات داخل الصاروخ ومن ثم صعوده بسرعة هائلة عبر فوهة أو فتحة موجودة أسفل الصاروخ.^[٢]

مظلات الهبوط

إن الأجسام التي تقع وتسقط تحت تأثير الجاذبية الأرضية تتسارع بشكل ثابت لذلك قد تزداد سرعتها بشكل مستمر، لكن إذا كانت هذه الأجسام تحت تأثير مقاومة الهواء التي تعاكس بدورها وزن الجسم الساقط، مما يعمل على تقليل القوة المحصلة التي تعمل على تسارع الجسم، أما مقاومة الهواء فتعتمد على شكل الجسم الساقط ومساحته السطحية، وبهذا فإن العلاقة بين سرعة الجسم الساقط والقوة المحصلة علاقة طردية، أي أن القوة المحصلة تنقص بزيادة سرعة الجسم، وبناءاً عليه فإن التسارع يتناقص حتى يصل إلى صفر، حيث يحدث ذلك نتيجة تساوي وزن الجسم مع القوة المقاومة للهواء، وبهذا فإن الجسم يبقى على سرعته الثابتة أثناء السقوط، والسرعة التي تكون عندها محصلة القوى التي تؤثر في الجسم صفراً تُسمى بالسرعة النهائية أوالسرعة الحدية.^[٣]

وقد كانت إحدى تطبيقات قوانين نيوتن هي مضلات الهبوط المستخدمة في الطائرات التي يكمن مبدأ عملها على هذه الفكرة حيث تعمل المظلة على زيادة مقاومة الهواء حتى يصل إلى السرعة النهائية (الحدي) في وقت أقل لتصل السرعة إلى أقل ما يمكن ليستطيع بعدها المظلي النزول إلى ألارض بأمان.^[٣]

حركة المصعد والقوة المؤثرة على أرضيته

عندما تتغير القوة المؤثرة في أرضية المصعد من قبل الجسم يؤدي بالمقابل إلى تغير في قوة رد فعل الجسم المتأثرة من المصعد، فإذا انطلق المصعد بتسارع للأسفل فإن قوة رد الفعل المؤثرة في الجسم تكون أقل من وزن الجسم، أما إذا تحرك المصعد للأعلى فإن رد الفعل سيكون أكبر من وزن الجسم، أما في حال الحركة بسرعة ثابتة فإن الوزن يتساوى مع رد الفعل.[٣]

ظاهرة انعدام الوزن

يُلاحظ بأن الأجسام الموجودة في المركبات الفضائية لا يوجد لها وزن، فوزن الجسم الموجود على سطح الأرض يمثل قوة الجاذبية الأرضية المؤثرة في الجسم، وإذا عُلق جسماً ما بميزان نابضي فإن وزن هذا الجسم يقاس في حالة السكون، أما في حال تحرك نقطة التعليق فإن القياس سيتغير سواءا كان ذلك بزيادته أو نقصانه، وهذا ما يسمى بوزن الجسم الظاهري وهو عبارة عن الوزن الذي نقيسه.
فعلى سبيل التوضيح، لو كان هنالك جسم كتلته (ك) معلق بميزان نابضي مثبت أعلى المصعد، بحيث كانت قراءة الميزان كالتالي:^[٣]

• الحالة الأولى: إذا كان المصعد متحرك بسرعة ثابتة أو ساكناً فإن التسارع يساوي صفر، وبهذا فإن محصلة القوى= الكتلة× التسارع، وبما أن التسارع صفر فإن المحصلة=صفر، والقوة تساوي الوزن، وبناءً عليه (يكون الوزن الظاهري الذي يمثل الميزان في هذه الحالة مساوياً للوزن الحقيقي للجسم).
• الحالة الثانية: إذا كان المصعد متحركاً باتجاه الأعلى بتسارع ت، فإن المحصلة= القوة- الوزن= الكتلة× التسارع، وبنقل الوزن للطرف الآخر، ينتج أن:

القوة= الوزن الكتلة× التسارع

وبناءً عليه فإن (الوزن الظاهري الذي يمثل قراءة الميزان في هذه الحالة أكبر من الوزن الحقيقي؛ لذلك قد يلاحظ المراقب في زيادة في الوزن).

• الحالة الثالثة: إذا كان المصعد متحركاً باتجاه الأسفل بتسارع ت فإن:

المحصلة= الوزن- القوة

وبما أنّ:

القوة= الكتلة× التسارع، فإنّ:

المحصلة=الوزن-(الكتلة× التسارع).

وبناءً عليه فإن (الوزن الظاهري يكون أقل من الوزن الحقيقي ليلاحظ الشخص المراقب بنقصان الوزن)، ويكون نقصان الجسم ناتجاً عن مقدار التسارع، فإذا تساوى التسارع مع الجاذبية فإن:

القوة= الوزن- (الكتلة× التسارع (أو الجاذبية))= صفر

وهذا هو بالضبط ما يسمى بانعدام الوزن الظاهري حيث يلاحظ بأن الجسم المعلف بالميزان النابضي لا يوجد له وزن، وأكثر شخص معرض لهذه الظاهرة هو رائد الفضاء الذي يتعرض للعديد من المشكلات التي تؤثر عليه بشكل سلبي على عمل بعض أجهزة الجسم كالقلب، كما أن رد فعل الأجسام على الأرض غير موجودة.^[٣]

الطائرة النفاثة

يكمن مبدأ عمل الطائرة النفاثة في سحب الهواء باتجاه الحجرة المخصصة للاحتراق والتي تعمل على تسخين الهواء الذي يؤدي بدوره إلى ارتفاع ضغطه مما يجعله يندفع بقوة من فوهة موجودة خلف هذه الطائرة، ويدفع بالطائرة لتنطلق، ويمثل انطلاق الطائرة رد فعل بنفس مقدار القوة المؤثرة وبعكس اتجاهها.^[٢]

الطائرة المروحية

يشبه مبدأ عمل الطائرة المروحية تمرين السباحة إلى حد كبير، لكن الفرق بينهما أن الأولى سباحة في الهواء أما الثانية فهي سباحة في الماء، فالطائرة تقوم بدفع الهواء إلى الخلف مما يؤدي إلى انداف الطائرة نحو الأمام كرد فعل.^[٢]

أمثلة على تطبيقات نيوتن

مثال: عُلق على أطراف حبل كتلتان إحداهما تساوي 3 كيلوغرام، والأخرى تساوي 5 كيلو غرام، ثم مرر الحبل حول بكرة ملساء فجد:^[٣]

• تسارع المجموعة.
• قوة الشد في الخيط.

الحل1:

بما أن وزن الكتلة الثانية أكبر من وزن الكتلة الأولى، بالتالي فإن الكتلة الثانية ستكون نحو الأسفل أما الكتلة الأولى نحو الأعلى.

قوة المجموعة= كتلة المجموعة× تسارع المجموعة.

وزن الجسم الأول- وزن الجسم الثاني= (كتلة الجسم الأول كتلة الجسم الثاني)× التسارع.

50- 30= (3 5)× التسارع.

التسارع=2.5 م/ ث².

الحل2:

القوة الأولى= الكتلة الأولى× التسارع.

القوة الأولى – الوزن الأول=3× 2.5.

القوة الأولى-30=7.5، وبجمع العدد 30 إلى طرفي المعادلة ينتج أن:

القوة الأولى=37.5 نيوتن وهي قوة الشد في الخيط.

المراجع

1. ↑ الدكتور-غسان قطيط، ميمي التكروري، دليل المعلم فيزياء الصف التاسع، صفحة: 40/ ملف: 34-53. بتصرّف.
2. ^ ^{أ ب ت} ياسر حماية، 1000 فكرة فى تعليم الفيزياء، صفحة 60 61. بتصرّف.
3. ^ ^{أ ب ت ث ج ح} الدكتور وليد القادري، موسوعة الفيزياء: الميكانيك والكهرباء، صفحة 142-148. بتصرّف.