براكسيلابس المدونة العربية لمعامل العلوم الإفتراضية براكسيلابس
جنبًا إلى جنب، تأسس قوانين نيوتن للحركة علم حركة الأجسام وتشكل حجر الأساس له، حيث تقوم هذه القوانين بالربط بين القوى المؤثرة على جسم ما بحركته. تأتي أهمية هذه القوانين من كونها أساسًا لأحد أهم فروع الفيزياء، ألا وهو فرع الميكانيكا الكلاسيكية. وضع العالم الشاب إسحاق نيوتن هذه القوانين، كما استخدمها في تفسير الكثير من الظواهر الفيزيائية والأنظمة المختلفة الموجودة في الكون من حولنا. لعبت قوانين نيوتن دورًا كبيرًا في تفسير العديد من الظواهر والأشياء التي نقابلها في حياتنا على كوكب الأرض وكذلك في حياتنا اليومية.
سنناقش في هذا المقال كل ما يتعلق بقانون نيوتن الأول للحركة، بدءًا من شرح القانون، وتفسيره، وذكر المعادلة الرياضية له ووصفها بالتفصيل. كما سنقوم أيضًا بتناول العديد من أهم أمثلته وتطبيقاته في حياتنا اليومية.
ابدا تجربتك الان فى معامل براكسيلابس ثلاثيه الابعاد!نص قانون نيوتن الأول
ينص القانون الأول لنيوتن على الآتي:
” يبقى الجسم الساكن ساكناً، و الجسم المتحرك متحركاً، ما لم تؤثر عليه قوة ما.”
شرح قانون نيوتن الأول
يعنى القانون أنه بدون تأثير قوة غير متوازنة على الجسم فإن حركته لا تتغير، وكذلك تظل ثابتة في المقدار. تخيل لو أنك كنت تسير في طريق ما وفي اتجاه معين – ولم تقابلك أي عوائق أو موانع أو تعب – فإنك ستبقى متحركًا في ذلك الطريق وفي ذلك الاتجاه إلى الأبد.
بلغة أخرى، إذا كانت القوة المحصلة المؤثرة على جسم ما تساوي صفر، فإن سرعته تبقى ثابتة. لا يُطبق القانون الأول لنيوتن إلا في حالة أن القوة المحصلة التي تؤثر على الجسم تكون مساوية للصفر.
إن السرعة هي كمية فيزيائية متجهة، أي أنه يتم التعبير عنها باستخدام:
- المقدار، وهو سرعة الجسم
- الاتجاه، وهو اتجاه حركة الجسم
إذا كانت سرعة الجسم ثابتة فإننا نعني أن كلًا من المقدار والاتجاه ثابتين.
لجعل تخيلك للأمر واضحًا، حاول أن تتذكر الفيديوهات والصور التي رأيتها من قبل لرواد فضاء أثناء أداء مهماتهم، هل لاحظت أن أدواتهم تطفو؟
يمكن لرواد الفضاء أن يضعوا أدواتهم في الفضاء وستثبت وتبقى في مكان واحد! يحدث هذا لأنه لا توجد قوة تتدخل لتغير من وضعهم. يحدث نفس الشيء عندما يقومون برمي الأشياء إلى الأمام، حيث ستتحرك الأشياء إلى الأمام في خط مستقيم، وإلى الأبد ما لم تؤثر عليها قوة أخرى أو يعترض طريقها جسم آخر.
معادلة قانون نيوتن الأول
يتم التعبير رياضيًا عن قانون نيوتن الأول كما يلي:
حيث أن:
V: سرعة الجسم
t: الزمن
F: القوة المؤثرة على الجسم
إذًا، يمكننا القول أن الجسم الساكن يبقى ساكنًا ما لم تؤثر عليه قوة خارجية، وكذلك أن سرعة الجسم المتحرك لا تتغير (مقدارًا أو اتجاهًا) ما لم تؤثر عليه قوة خارجية.
القصور الذاتي
يُعرف القانون الأول لنيوتن باسم “قانون القصور الذاتي”. أما مبدأ عزم القصور الذاتي فإنه يعد أحد مبادئ الفيزياء الكلاسيكية الأساسية التي ما زال يتم استخدامها حتى يومنا هذا لوصف حركة الأشياء ومدى وكيفية تأثرها بالقوى المؤثرة عليها.
القصور الذاتي هو مقاومة الجسم المادي لتغيير سرعته، ويشمل ذلك أي تغييرات في مقدار سرعة الجسم أو اتجاه حركته. إن أحد سمات هذه الخاصية هو ميل الأجسام إلى الاستمرار في الحركة في خط مستقيم وبسرعة ثابتة عندما لا تؤثر عليها أي قوى خارجية.
وصف إسحاق نيوتن القصور الذاتي بأنه:
“هو قوة المقاومة التي تحاول كل الأجسام من خلالها أن تحافظ على حالتها الحالية لأطول وقت ممكن، سواء كانت هذه الحالة هي حالة سكون أو حالة حركة إلى الأمام في خط مستقيم.”
يمكن أن يُشار إلى مصطلح القصور الذاتي بأنه “مقدار مقاومة الجسم لتغيير سرعته” أو بأنه “مقاومة الجسم للتغير في الحركة”.
يُمكن تلخيص ما سبق من خلال الشكل التوضيحي التالي:
ابدا تجاربك مع براكسيلابس الان مجانا!
أنواع القصور الذاتي
- القصور الذاتي للراحة أو السكون
يبقى الشيء في مكانه، وسيبقى هكذا حتى تحركه أنت أو أي شيء آخر.
- القصور الذاتي للحركة
سيستمر الجسم بنفس السرعة حتى تؤثر عليه قوة.
- القصور الذاتي للاتجاه
سيظل الجسم يتحرك في نفس الاتجاه ما لم تؤثر عليه قوة.
العلاقة بين كتلة الجسم و القصور الذاتي
اذا تخيلنا أن هناك كرتين ساكنتين؛ إحداهما كرة تنس طاولة كتلتها ٣ جرامات،والأخرى كرة بولينج كتلتها ٨ كيلوجرامات.إذا كان عليك دحرجة الكرتين بعيدًا عنك، فسيكون من الأصعب بكثير دحرجة كرة البولينج عن دحرجة كرة تنس الطاولة. بعبارة أخرى، القوة اللازمة لبدء حركة كرة البولينج أكبر من القوة اللازمة لبدء حركة كرة تنس الطاولة.
هذا لأن كرة البولينج تحاول الحفاظ على حالتها الحالية من السكون بدرجة أكبر من كرة تنس الطاولة. أي أن لها قصور ذاتي أكبر، وهذا لأن لها كتلة أكبر.
يمكننا القول أنه كلما زادت كتلة الجسم، زادت القوة اللازمة لبدء حركته من السكون. بعبارة أخرى، كلما زادت كتلة الجسم، زاد قصوره الذاتي.
أهم العوامل التى تؤثر على القصور الذاتي
- كتلة الجسم
كما وضحنا سابقًا، كلما زادت كتلة الجسم، زادت القوة اللازمة لبدء حركته من السكون. بعبارة أخرى، كلما زادت كتلة الجسم، زاد قصوره الذاتي. - حالة الجسم أو وضعه
فنجد أن مقدار القوة المستخدمة لإكساب جسم سرعة معينة يختلف باختلاف وضعه قبل استخدام القوة فإذا كان الجسم المراد تحريكه ثابتاً وأردنا إكسابه سرعة معينة فنحتاج إلى قدر من القوة تختلف في حالة حركته وإكسابه السرعة نفسها ، أي أن القوة تكون أقل من الحالة الثانية. - طبيعة الأرض أو السطح الذي تتم عليه الحركة
التأثير على جسم بكتلة معينة من وضع الثبات إذا كان السطح أملس يختلف عن اذا كان السطح خشنًا أو غير مستوي، فإن مقدار القوة للتغلب على القصور الذاتي يكون أكبر عندما يكون السطح خشناً أو غير مستوي. - قاعدة الارتكاز واتجاهها
عند تحريك كتلة الرياضي وهو على قاعدة ارتكاز كبيرة نحتاج إلى قوة كبيرة وخاصة في فعاليات المصارعة ورفع الأثقال للتقليل من تأثير القوة التي يستخدمها الخصم. و أيضًا في الملاكمة، وقفة الأستعداد تكتسب أهمية كبيرة لمنع سقوط اللاعب بسهوله، حيث ان القاعدة الواسعة والمتوازنة للجسم تمنع خروج مركز ثقله خارج قاعدة الارتكاز وتحدد زاوية سقوطه.
لمزيد من الفهم، يُمكنك تجربة معامل براكسيلابس الافتراضية في الفيزياء الكلاسيكية. فقط كل ما عليك فعله هو انشاء حساب مجاني
أمثلة على قانون نيوتن الأول (القصور الذاتي)
- تستمر المروحة الكهربائية في التحرك لفترة بعد انقطاع التيار الكهربائي.
- الميل للوراء عندما تبدأ الحافلة المتوقفة في التحرك.
- إذا تم وضع بطاقة فوق كوب زجاجي مع وجود عملة معدنية فوقه، فيمكن إزالة البطاقة بسرعة بينما تسقط العملة المعدنية في الكوب مباشرة، حيث تظهر العملة في هذه الحالة ما يعرف بالقصور الذاتي.
- إذا كانت الكرة على سطح مائل وتركتها، فإن الجاذبية ستجعلها تتدحرج إلى أسفل المنحدر، وهذا يعني ان لديها قصور ذاتي ، وإذا كانت هناك منطقة مستوية أسفل المنحدر، فسوف تستمر في الحركة.
- إذا كنت في قطار وكان القطار يتحرك بسرعة ثابتة، فإذا تم القاء لعبة في الهواء سترتفع بشكل مستقيم ثم تنزل. وهذا لأن اللعبة لديها قصور الذاتي مثل القطار وأنت.
- إذا قفزت من سيارة أو حافلة تتحرك، فإن جسمك لا يزال يتحرك في اتجاه السيارة. عندما تصطدم قدميك بالأرض، ستؤثر الأرض على قدميك وتتوقف عن الحركة ولكن سوف تسقط لأن الجزء العلوي من جسمك لم يتوقف، وستسقط في الاتجاه الذي كنت تتحرك فيه.
- استخدام أحزمة الأمان، لمواجهة هذا الميل للبقاء في الحركة. يطبق حزام الأمان قوة على الشخص ليمنعه من الطيران خارج السيارة. والأفضل من أحزمة الأمان هي الأكياس الهوائية أو الوسائد الهوائية للسيارات والتي تطبق قوة أقل على الشخص ولكن على مساحة أكبر من حزام الأمان ، لذا فهي تحمي الشخص في مناطق أكثر.
أمثلة على قانون نيوتن الأول للحركة في حياتنا اليومية
في حياتنا اليومية يمكن تفسير حدوث الأشياء حولنا طبقًا لقانون نيوتن الأول، على سبيل المثال:
- الكتاب على المنضدة يظل موضوعًا في مكانه ما لم يتم إزاحته.
- يندفع الدم من رأسك إلى قدميك بينما يتوقف سريعًا عند ركوب المصعد النازل.
- يمكن شد رأس المطرقة على المقبض الخشبي عن طريق ضرب الجزء السفلي من المقبض على سطح صلب.
- أثناء ركوب لوح تزلج (أو عربة أو دراجة) ، فإنك تطير إلى الأمام بعيدًا عن اللوح عندما تصطدم برصيف أو صخرة أو أي شيء آخر يوقف حركة لوح التزلج فجأة.
- تغيير حركة الطائرة الورقية بحسب التغيرات الجوية.
كيف يتم استخدام قانون نيوتن الأول في الحياة اليومية؟
لفهم كيف يتم تطبيق او استخدام القانون، سنشرح المثالين التاليين بشئ من التفصيل:
سجل فى مختبر براكسيلابس الافتراضي الان
1- القفز بمظلة من طائرة
اذا فكرنا في الشخص الذي يقفز من طائرة تسافر أفقيًا. السرعة الرأسية الأولية للشخص هي صفر. ومع ذلك، سيتم التصرف بناءً عليه على الفور من خلال تأثير وزنه عموديًا لأسفل، وبما أن القوة الناتجة الخارجية ليست صفرًا، فسوف يتسارع لأسفل. مع زيادة سرعة الشخص تزداد مقاومة الهواء. هذا يقاوم القوة الهابطة لوزنه ويعني أنه لن تزداد سرعته إلى ما لا نهاية.
وفي النهاية ستزداد مقاومة الهواء حتى تساوي وزنه. عند هذه النقطة ستكون القوة الناتجة على الشخص صفراً وسيتوقف عن التسارع و بدلاً من ذلك، سيستمر في السقوط بسرعة ثابتة أو نهائية. عندما يسحب الرجل الحبل ويتم فتح المظلة، تزداد مقاومة الهواء فجأة بحيث تكون أكبر من وزنه. القوة الناتجة تصاعدية مما يعني أن الشخص سيبدأ في التباطؤ. سيستمر هذا مع انخفاض مقاومة الهواء حتى تتساوى القوى مرة أخرى وتكون سرعة السقوط ثابتة.
2- سيارة متوقفة على تل
بالنسبة لسيارة متوقفة على تل، فإن القوى الثلاث (الاحتكاك والوزن وقوة رد الفعل العادية) محصلتها تساوي صفر. يعمل الاحتكاك على موازنة عنصر الوزن أسفل المنحدر. إذا تحركت المركبة بسرعة ثابتة، يجب أن تكون القوة الدافعة وقوى المقاومة (مقاومة الهواء والاحتكاك) متساوية في الحجم ومعاكسة في الاتجاه.
تطبيق قانون نيوتن الأول في الفضاء
قوانين نيوتن تظهر بشكل واضح في الفضاء، فلا وجود لقوى الجاذبية أو قوى الاحتكاك هناك. ولذلك الجسم في الفضاء إذا ما اكتسب سرعة، فإنه يبقى متحركًا باتجاه ثابت دون أن يتوقف، مالم يصدم جسمًا آخر أو أثّرت عليه قوى الجذب لجرم آخر. وهذا ما يساعد المَركبات الفضائية على السفر بالفضاء بدون الحاجة إلى وقودٍ مستمرٍ، فالسرعة التي اكتسبتها المركبة أثناء الإطلاق، ستحافظ عليها بعد أن تهرُب من جاذبية الأرض، بالإضافة إلى جاذبية الكواكب التي قد تمر بها.
مثال على ذلك:
الصواريخ التي تسافر عبر الفضاء . قبل إطلاقه، يكون الصاروخ على سطح الأرض في حالة سكون. وسوف يبقى في حالة سكون إلى أجل غير مسمى إن لم تؤثر فيه أي قوة خارجية. وعندما يكون الصاروخ في الفضاء بدون أي قوى خارجية مؤثرة فيه، حيث يسافر في خط مستقيم بسرعة ثابتة إلى الأبد.
ابدا تجربتك المعمليه عبر الانترنت الان!
تطبيقات قانون نيوتن الأول
- الوسادة الهوائية في السيارة
تنتفخ الوسادة عند وقوع حادث ما، حيث تعتبر وظيفتها الأساسية هي منع ارتطام رأس السائق بزجاج السيارة الأمامي. يتسبب التباطؤ المفاجئ في سرعة السيارة عند وقوع حادث ما في تشغيل مفتاح كهربائي معين. يعمل هذا المفتاح على بدء تفاعل كيميائي تكون نتيجته انتاج مادة غازية تملأ الوسادة، وبذلك تحمي رأس السائق من الارتطام المحتمل.
- كرة البيسبول في حالة راحة
تحتاج الكرة إلى قوة خارجية للتحرك أو رميها أو ضربها ، وتعتمد المسافة التي تقطعها الكرة على مقدار القوة التي تؤثر عليها.
- حركة كرة تسقط في الغلاف الجوي أو إطلاق صاروخ نموذجي في الغلاف الجوي.
- انطلاق صاروخ من منصة الإطلاق.
قبل اشتعال المحرك مباشرة، كانت سرعة الصاروخ صفرًا والصاروخ في حالة سكون. إذا كان الصاروخ جالسًا على قاعدته، فإن وزن الصاروخ يتوازن من خلال تفاعل الأرض مع الوزن. لا توجد قوة محصلة على الجسم ، وسيظل الصاروخ في وضع السكون إلى أجل غير مسمى.
وعند اشتعال المحرك ، تولد قوة دفع المحرك قوة إضافية معاكسة للوزن. عندما يكون الدفع أكبر من الوزن ، توجد قوة محصلة خارجية تساوي الدفع مطروحًا منه الوزن ، ويبدأ الصاروخ في الارتفاع. تزداد سرعة الصاروخ من صفر إلى بعض القيم الموجبة في ظل التسارع الناتج عن محصلة القوة الخارجية.
- طائرة ورقية تطير في الهواء
تشمل القوى المؤثرة على الطائرة الورقية أثناء الطيران الوزن، والرفع الديناميكي الهوائي ، والسحب، والتوتر في خط التحكم. في حالة الطيران المستقر ، تكون جميع هذه القوى متوازنة والطائرة الورقية لها ارتفاع ثابت.
فيديو توضيحي لقانون نيوتن الأول
معامل براكسيلابس الافتراضية في الفيزياء الميكانيكية
تقدم براكسيلابس معامل العلوم الافتراضية التي تمكنك من إجراء العديد من التجارب المعملية في الفيزياء والكيمياء والبيولوجيا عبر الانترنت في أي وقت وأي مكان
انشئ حسابك مجاني وجرب الآن المعامل الافتراضية الخاصة بالفيزياء الميكانيكية التي توضح قوانين نيوتن وتطبيقاتها المختلفة في حياتنا.
