قوانين نيوتن وتطبيقاتها

تصف قوانين الحركة الثلاثة للسير إسحاق نيوتن حركة الأجسام الضخمة وكيفية تفاعلها ، تم التحقق من القوانين الثلاثة من خلال تجارب لا حصر لها على مدى القرون الثلاثة الماضية ، ولا تزال تُستخدم على نطاق واسع حتى يومنا هذا لوصف أنواع الأشياء والسرعات التي نواجهها في الحياة اليومية ، إنها تشكل أساس ما يعرف الآن بالميكانيكا الكلاسيكية ، وهي دراسة أجسام ضخمة أكبر من المقاييس الصغيرة جدًا التي تتناولها ميكانيكا الكم والتي تتحرك بشكل أبطأ من السرعات العالية جدًا التي تتناولها ميكانيكا النسبية.

قانون نيوتن للحركة

في

بحث عن قوانين نيوتن الثلاثة

، عند صياغة قوانينه الثلاثة ، بسط نيوتن معالجته للأجسام الضخمة من خلال اعتبارها نقاطًا رياضية بلا حجم أو دوران. سمح له ذلك بتجاهل عوامل مثل الاحتكاك ومقاومة الهواء ودرجة الحرارة وخصائص المواد وما إلى ذلك ، والتركيز على الظواهر التي يمكن وصفها فقط من حيث الكتلة والطول والوقت. وبالتالي ، لا يمكن استخدام القوانين الثلاثة لوصف سلوك الأجسام الكبيرة الجامدة أو القابلة للتشوه بدقة ؛ ومع ذلك ، في كثير من الحالات يقدمون تقديرات تقريبية دقيقة بشكل مناسب.:

قانون نيوتن الأول

نص قانونه الأول على “يبقى الجسم في حالة السكون أو في حالة حركة  ثابتة مالم تؤثر عليه قوة خارجية غير متوازنة ” .

أي  أن الأشياء في حالة الراحة تميل إلى البقاء في حالة راحة ، والأشياء المتحركة تميل إلى البقاء في حالة حركة ، أن كل جسم سيبقى في حالة سكون أو في حركة موحدة في خط مستقيم ما لم يُجبر على تغيير حالته بفعل قوة خارجية ، بعبارة أخرى ، هناك شيء يسمى “القصور الذاتي” ، وهو مقياس لمقاومة الجسم للحركة.

النقطة الأساسية هنا هي أنه إذا لم تكن هناك قوة صافية تؤثر على جسم ما (إذا ألغت جميع القوى الخارجية بعضها البعض) ، فيحافظ الكائن على سرعة ثابتة ، إذا كانت هذه السرعة تساوي صفرًا ، فسيظل الجسم في حالة سكون ، إذا تم تطبيق قوة خارجية ، ستتغير

قانون السرعة

بسبب القوة.

الكرة التي تتدحرج على سطح أفقي تستمر في الركض ما لم توقفها قوة خارجية ، وبالمثل ، فإن الكتاب المحفوظ على منضدة يظل موضوعًا في مكانه ما لم يتم إزاحته.

كانت هذه الفكرة  جديدة ،في السابق ، اعتقد معظم العلماء أن الأشياء الفردية لديها ميل طبيعي إما للتحرك أو عدم الحركة  ، لكن نيوتن قلب هذا رأساً على عقب ،  فكل الأشياء لديها مقاومة فطرية للحركة الجديدة ، وقد تطلب الأمر قوة لجعلها تتغير.

[1]

قانون نيوتن الثاني

قوانين السرعة والتسارع

، بالحديث عن القوى ، كان هذا هو قانون نيوتن الثاني يصف قانون الحركة الثاني ما يحدث لجسم ضخم عندما تتأثر بقوة خارجية ،تنص على أن “القوة المؤثرة على جسم تساوي كتلة ذلك الجسم مضروبة في تسارعه” ، هذا مكتوب بصيغة رياضية


قانون السرعة


كـ F = ma حيث F هي القوة و m كتلة و a تسارع. تشير الأحرف الغامقة إلى أن القوة والتسارع كميات متجهة ، مما يعني أنهما لهما المقدار والاتجاه. يمكن أن تكون القوة قوة واحدة ، أو يمكن أن تكون مجموع متجه لأكثر من قوة واحدة ، وهي القوة الكلية بعد دمج جميع القوى.

عندما تؤثر قوة ثابتة على جسم ضخم ، فإنها تتسبب في تسارعه ، أي تغيير سرعته ، بمعدل ثابت ، في أبسط الحالات ، تؤدي القوة المؤثرة على جسم في حالة السكون إلى تسارعه في اتجاه القوة ، ومع ذلك ، إذا كان الكائن متحركًا بالفعل ، أو إذا تم عرض هذا الموقف من إطار مرجعي متحرك ، فقد يبدو أن هذا الجسم يسرع أو يبطئ أو يغير اتجاهه اعتمادًا على اتجاه القوة والاتجاهات التي يتخذها الكائن و الإطار المرجعي يتحرك بالنسبة لبعضهما البعض.

يتم دائمًا مشاهدة تطبيق القانون الثاني عندما نحاول تحريك جسم ما مثل إيقاف كرة متحركة تتدحرج على الأرض أو دفع كرة لجعلها تتحرك.

هذا أيضًا يتعارض مع الحكمة السائدة ، والتي كانت تعتقد أن القوى المطبقة على جسم ما تمنحهم السرعة. هذا صحيح جزئيًا ، لأن التسارع هو تغيير في السرعة ، لكنه يفتقد الصورة الأكبر التي كان نيوتن يسعى وراءها ، بمجرد التسارع إلى سرعة معينة ، سيحافظ الجسم على هذه السرعة ما لم وحتى يتم تطبيق قوة جديدة لتسريعها أو إبطائها.

[1]

قانون نيوتن الثالث

ينص القانون الثالث على أن لكل فعل (قوة) في الطبيعة رد فعل متساوٍ ومعاكس. بمعنى آخر ، إذا كان الكائن A يمارس قوة على الكائن B ، فإن الكائن B أيضًا يمارس قوة مساوية على الكائن A ، لاحظ أن القوى تمارس على كائنات مختلفة ، يمكن استخدام القانون الثالث لشرح توليد قوة الرفع بواسطة الجناح وإنتاج الدفع بواسطة محرك نفاث.

إذا كان أحد الأجسام أكبر بكثير من الآخر ، لا سيما في حالة إرساء الجسم الأول على الأرض ، فسيتم نقل كل التسارع تقريبًا إلى الجسم الثاني ، ويمكن تجاهل تسارع الجسم الأول بأمان  ، على سبيل المثال ، إذا كنت سترمي كرة بيسبول إلى الغرب ، فلن تضطر إلى التفكير في أنك تسببت بالفعل في زيادة سرعة دوران الأرض بشكل طفيف أثناء وجود الكرة في الهواء. ومع ذلك ، إذا كنت تقف على زلاجات ، وألقيت كرة بولينج للأمام ، فستبدأ في التحرك للخلف بسرعة ملحوظة.

[1] [2]

وتطبيق القانون الثالث من الصعب عليك المشي على سطح زلق ولكن من السهل عليك المشي على سطح خشن ،  هذا لأن المكون الأفقي للقوة التي تمارسها على الأرض لدفعها للخلف تحصل على قوة رد فعل من الأرض الخشنة كما نشير إليها غالبًا بالاحتكاك ، لكن السطح الزلق يفتقر إلى هذا الاحتكاك.

تطبيقات على قانون نيوتن الأول

تقوم فكرة عمل الوسائد الهوائية للسيارات على قانون نيوتن الأول ، حيث تعمل على حماية السائق من الاصطدام بالمقود ،  إذا كانت السيارة تسير بسرعة كبيرة وبها ركاب وحدث تصادم أو تم الضغط على الفرامل فجأة ، فإن السيارة تتوقف نتيجة تأثير قوة خارجية عليها ، وهي التصادم أو الاحتكاك ،  ولكن الركاب يستمرون في الحركة بنفس السرعة التي كانت تسير بها السيارة ، وفي نفس الاتجاه  ، ويصطدمون بأمامهم ، وهذا هو ما يُعرف باسم القصور الذاتي ، وهو عجز الجسم عن إيقاف نفسه بنفسه ، أو الانتقال من حالة السكون إلى الحركة بنفسه دون مؤثر خارجي ، ولهذا تم وضع حزام الأمان بالسيارات يعمل كقوة خارجية لشد الركاب .

[3]

تطبيق قوانين نيوتن للحركة

يمكن تطبيق قوانين نيوتن للحركة في مواقف عديدة لحل مشاكل الحركة ،  تحتوي بعض المسائل على متجهات قوة متعددة تعمل في اتجاهات مختلفة على جسم ما ، تحتوي بعض مسائل الحركة على العديد من الكميات الفيزيائية ، مثل القوى أو التسارع أو السرعة أو الموضع .

يمكن تفسير حركة الطائرة عبر الهواء ووصفها من خلال المبادئ الفيزيائية التي اكتشفها السير إسحاق نيوتن منذ أكثر من 300 عام ، ويتم تقديم تطبيق هذه القوانين على الديناميكا الهوائية في شرائح منفصلة.

تحتوي بعض المسائل على متجهات قوة متعددة تعمل في اتجاهات مختلفة على جسم ما ، تأكد من رسم مخططات ، وحل جميع متجهات القوة في مكونات أفقية ورأسية ، ورسم مخطط الجسم الحر ،  قم دائمًا بتحليل الاتجاه الذي يتسارع فيه الكائن بحيث يمكنك تحديد ما إذا كان Fnet = ma أو Fnet = 0.

لا تساوي القوة العمودية المؤثرة على الجسم دائمًا وزن الجسم ، إذا كان جسم ما يتسارع عموديًا ، فإن القوة العمودية أقل من أو أكبر من وزن الجسم ،  أيضًا ، إذا كان الكائن على مستوى مائل ، فإن القوة العادية دائمًا ما تكون أقل من الوزن الكامل للجسم.

تحتوي بعض المسائل على العديد من الكميات الفيزيائية ، مثل القوى أو التسارع أو السرعة أو الموضع ،  يمكنك تطبيق مفاهيم من علم الحركة وديناميكيات لحل هذه المشاكل.

الاحتكاك

الاحتكاك هو قوة اتصال تعارض الحركة أو محاولة الحركة بين نظامين ،  الاحتكاك البسيط يتناسب مع القوة الطبيعية N التي تدعم النظامين


.

يتم تحديد قوة الاحتكاك الحركي بين مادتين متحركتين بالنسبة لبعضهما البعض باستخدام معامل الاحتكاك الحركي ، والذي يعتمد أيضًا على كلا المادتين و ويكون دائمًا أقل من معامل الاحتكاك الساكن.

قوة الجاذبية

قوة الجاذبية المركزية F


⃗


c هي قوة “تسعى إلى المركز” تشير دائمًا إلى مركز الدوران. إنه عمودي على السرعة الخطية وله المقدار

Fc = ماك. (6..S.6)

الإطارات المرجعية الدورية والمتسارعة هي غير ذاتية ، هناك حاجة إلى قوى القصور الذاتي ، مثل قوة كوريوليس ، لشرح الحركة في مثل هذه الإطارات.

قوة السحب وسرعة المحطة

قوى السحب المؤثرة على جسم يتحرك في سائل تعارض الحركة ،بالنسبة للأجسام الأكبر حجمًا (مثل كرة البيسبول) التي تتحرك بسرعة في الهواء ، يتم تحديد قوة السحب باستخدام معامل السحب (، ومساحة الجسم التي تواجه السائل ، وكثافة السائل.

بالنسبة للأجسام الصغيرة (مثل البكتيريا) التي تتحرك في وسط أكثر كثافة (مثل الماء) ، تُعطى قوة السحب بموجب قانون ستوكس.

[4]