قوانين نيوتن الثلاث وتطبيقاتها المختلفة في حياتنا 

 

كيف تتحرك الأشياء وكيف تظل ثابتة ؟

كيف تعمل الوسائد الهوائية في السيارات؟

كيف تطير الطائرات في الهواء؟

كيف تتدفق المياه ؟

لماذا تبدو المباني ثابتة ولا تسقط؟

كيف تعمل السيارات ؟

وحدها الفيزياء التي تستطيع أن تُجيبنا عن كل هذه التساؤلات و تفسر لنا كل ما نراه في حياتنا اليومية. و أيضًا اكتشافات الفيزياء هي التى ساعدتنا على فهم العديد من الألغاز المحيطة بنا.

في هذا المقال سنتناول القوانين المعنية بتفسير حركة الأشياء، قوانين نيوتن وتطبيقاتها في حياتنا. أيضًا سنلقي الضوء على أشهر القوانين الأخرى التي وضعها اسحاق نيوتن. 

ابدا تجربتك الان فى معامل براكسيلابس ثلاثيه الابعاد!

 

نظرة عامة عن استخدام قوانين نيوتن وتطبيقاتها المختلفة في حياتنا

 ما هي الفيزياء الكامنة وراء تفسير مثل هذه الأشياء التي نراها في حياتنا اليومية ؟

إنها الميكانيكا الكلاسيكية أو الميكانيكا النيوتونية (نسبة إلى العالم إسحاق نيوتن الذي يعتبر من أكبر مؤسسيها) وهي الفرع الأقدم في علم حركة الأجسام (الميكانيكا)، وهي تهتم بدراسة القوى الواقعة على الجسم وحركته ونظم الجسيمات ومحاولة صياغة تلك العلاقات في قوانين فيزيائية.

تعتبر الميكانيكا الكلاسيكية أقدم أفرع الفيزياء والتي تختلف عن الفيزياء الحديثة التي جاءت فيما بعد.

أي يمكننا القول أن قوانين نيوتن لها دور كبير في تفسير معظم الظواهر والأشياء التي نراها في حياتنا اليومية وهذا ما سنوضحه بالتفصيل في هذا المقال.

السير إسحاق نيوتن

إذا كنا سنتحدث عن الميكانيكا الكلاسيكية و قوانين نيوتن الثلاث للحركة، فلابد وأن نلقي الضوء أولًا على واضع هذه القوانين وصاحب الفضل في خروجها إلينا، السير اسحاق نيوتن. واليكم الان بعض الحقائق السريعة عن إسحاق نيوتن :

العلم وراء كيف تتحرك الأشياء (قوانين نيوتن الثلاث)

قوانين نيوتن للحركة هي ثلاثة قوانين فيزيائية تُأسس علم حركة الأجسام ، وتربط هذه القوانين القوى المؤثرة على الجسم بحركته. إسحاق نيوتن هو من وضع هذه القوانين، وقد استخدم هذه القوانين في تفسير العديد من الأنظمة والظواهر الفيزيائية.

هذه القوانين الثلاثة نشرها إسحاق نيوتن لأول مره  في كتابه “الأصول الرياضية للفلسفة الطبيعية” Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica في عام  1687 والذي يعد أساس الميكانيكا الكلاسيكية. استعمل نيوتن هذه القوانين ليُفسر ويتحرى كثير من الظواهر الفيزيائية، أظهر نيوتن أن هذه القوانين بالإضافة لقانون الجذب العام قادرة على تفسير قوانين كيبلر لحركة الكواكب و لازالت هذه القوانين من أهم القوانين الفيزيائية حتى الآن.

 

والآن نستعرض معكم شرح قوانين نيوتن للحركة وتفسيرها والتعبير الرياضي لها وكذلك أهم أمثلتها وتطبيقاتها المختلفة في حياتنا اليومية

 

انضم الى معامل براكسيلابس 3D الان!

 

قانون نيوتن الأول وتطبيقاته

نص القانون وتفسيره والتعبير الرياضي عنه:

” الجسم الساكن يبقى ساكناً، و الجسم المتحرّك يبقى متحركاً، مالم تؤثر عليه قوى ما”

هذا يعني أن الحركة لا يمكن أن تتغير أو تنقص بدون تأثير قوة غير متوازنة. إذا لم يحدث لك شيء ولم يحدث شيء، فلن تذهب إلى أي مكان أبدًا. إذا كنت تسير في اتجاه معين -ما لم يحدث لك شيء ما- فستذهب دائمًا في هذا الاتجاه إلى الأبد.

أي أن إذا كانت القوة المحصلة (المجموع الاتجاهي للقوى المؤثرة على الجسم) تساوي صفر، فإن سرعة الجسم تكون ثابتة.

 تعتبر السرعة كمية متجهة حيث يتم التعبير عنها مقداراً (وهي سرعة الجسم) واتجاهاً (وهو اتجاه حركة الجسم). عندما نقول أن سرعة الجسم ثابتة فإننا نعني أن كلا من المقدار والاتجاه ثابتين.

والان سنعرض لك مثال جيد للتوضيح، عندما ترى فيديو لرواد الفضاء. هل سبق لك أن لاحظت أن أدواتهم تطفو؟ يمكنهم فقط وضعها في الفضاء ويبقون في مكان واحد. حيث لا توجد قوة تدخل لتغيير هذا الوضع. وينطبق الشيء نفسه عندما يرمون أشياء للكاميرا، هذه الأشياء تتحرك في خط مستقيم. بمعنى انهم إذا ألقوا شيئًا ما أثناء السير في الفضاء، فسيستمر هذا الجسم في التحرك في نفس الاتجاه وبنفس السرعة ما لم يتم التدخل فيه.

التعبير الرياضي للقانون الأول

حيث أن :

V هي سرعة الجسم

t هو الزمن

F هي القوة 

هذا يعني أن يمكننا القول أن الجسم الساكن سيظل ساكن ما لم تؤثر عليه قوى خارجية، و الجسم المتحرك لا تتغير سرعته طالما لم تؤثر عليه قوة خارجية.

القصور الذاتي

 يعد مبدأ القصور الذاتي أحد المبادئ الأساسية في الفيزياء الكلاسيكية التي لا تزال تستخدم حتى اليوم لوصف حركة الأشياء وكيف تتأثر بالقوى المطبقة عليها.

القصور الذاتي هو مقاومة أي جسم مادي لأي تغيير في سرعته. يتضمن ذلك التغييرات في سرعة الكائن أو اتجاه حركته. أحد جوانب هذه الخاصية هو ميل الأشياء إلى الاستمرار في التحرك في خط مستقيم بسرعة ثابتة ، عندما لا تؤثر عليها قوى.

 عرّف إسحاق نيوتن القصور الذاتي على أنه :

(القوة الجوهرية للمادة هي قوة المقاومة التي يسعى من خلالها كل جسم بقدر ما يكمن فيه، إلى الحفاظ على حالته الحالية، سواء كان ذلك في حالة سكون أو التحرك بشكل موحد للأمام في خط مستقيم)

و قد يشار الى مصطلح القصور الذاتي ب “مقدار مقاومة الجسم للتغيير في السرعة”  أو “مقاومة التغير في الحركة” 

ومن أمثلة القصور الذاتي في حياتنا :

• استمرار حركة المروحة الكهربية لفترة  بعد فصل الكهرباء عنها.
• الميل إلى الوراء عندما تبدأ الحافلة الثابتة في التحرك.

 

 تطبيقات قانون نيوتن الأول 

في حياتنا اليومية يمكن تفسير حدوث الأشياء حولنا طبقًا لـ قانون نيوتن الأول، على سبيل المثال:

• الوسائد الهوائية الخاصة بالسيارات 

 وظيفة الوسادة هي الانتفاخ عند وقوع حادث ومنع ارتطام رأس السائق بالزجاج الأمامي. عندما تتعرض سيارة فيها وسادة هوائية لحادث، فإن التباطؤ الفجائي في سرعتها يؤدي إلى تشغيل مفتاح كهربائي، وذلك يعمل على بدء تفاعل كيميائي تنتج منه مادة غازية تعمل على ملئ الوسادة وحماية رأس السائق.

•  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.
• وصف حركة الطائرة عند تغيير الطيار لوضع دواسة الوقود.

فيديو توضيحي لقانون نيوتن الأول 

 

لمزيد من الفهم، يُمكنك أن تجرب معامل العلوم الافتراضية في الفيزياء الكلاسيكية. كل ما عليك فعله هو فقط انشاء حساب مجاني 

 

ابدا تجاربك مع براكسيلابس الان مجانا!

 

قانون نيوتن الثاني للحركةوتطبيقاته

نص القانون وتفسيره والتعبير الرياضي له

“إذا أثرت قوة على جسم ما فإنها تكسبه تسارعاً ، يتناسب طردياً مع قوته وعكسياً مع كتلته”

يدرس قانون نيوتن الثاني حركة الجسم عند تأثير قوى خارجية عليه، فعندما 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 فقد يبدو أن هذا الجسم يسرع أو يبطئ أو يغير اتجاهه اعتمادًا على اتجاه القوة والاتجاهات التي يتخذها الكائن والإطار المرجعي الذي  يتحرك فيه بالنسبة لبعضهما البعض.

يُمكن التعبير رياضيًا عن القانون الثاني لنيوتن من خلال المعادلة التالية :

حيث F هي القوة المحصلة، m هي كتلة الجسم و a هي تسارع الجسم.

تطبق هذه العلاقة مبدأ الحفاظ على كمية التحرك وهو أنه عندما تكون مجموع القوى المحصلة المؤثرة على الجسم تساوي صفر فإن كمية الحركة للجسم تظل ثابتة. وتساوي القوة المحصلة معدل التغير في كمية التحرك.

هذا القانون يعني أيضًا أنه عندما تؤثر قوتين متساويتين على جسمين مختلفين فإن الجسم الذي كتلته أكبر سيكون تسارعه أقل وحركته أبطأ والجسم ذو الكتلة الأقل تسارعه أكبر، فعلى سبيل المثال للتوضيح، اذا كان لدينا محركين متشابهين احداهما لسيارة كبيرة والاخر لسيارة صغيرة فالصغيرة ستملك تسارعاً أكبر لأن كتلتها أقل والكبيرة ستملك تسارعاً أقل لأن كتلتها أكبر.

تطبيقات قانون نيوتن الثاني في حياتنا

•       نشاهد دائمًا تطبيق القانون الثاني عندما نحاول تحريك جسم ما، مثل إيقاف كرة متحركة تتدحرج على الأرض، أو دفع كرة لجعلها تتحرك.
•         تقليل وزن السيارات المخصصة للسباق لزيادة سرعتها.

فمثلًا في سباقات السيارات، يحاول المهندسون إبقاء كتلة السيارات عند أدنى مستوى ممكن، إذ إنّ الكتلة المنخفضة تعني المزيد من التسارع، وكلما زاد التسارع زادت فرص الفوز بالسباق.

أمثلة على قانون نيوتن الثاني

•  دفع عربة

من الأسهل دفع عربة فارغة في سوبر ماركت بدلاً من دفع عربة محملة. المزيد من الكتلة يتطلب المزيد من القوة للتسريع.

•      ركل الكرة

عندما نركل الكرة فإننا نبذل القوة في اتجاه معين، وهو الاتجاه الذي ستسير فيه الكرة. بالإضافة إلى ذلك، كلما تم ركل الكرة بقوة زادت القوة التي نضعها عليها وكلما ابتعدت الكرة.

• ·        شخصان يمشيان

من بين الشخصين السائرين ، إذا كان أحدهما أثقل من الآخر ، فإن الشخص الذي يزن أثقل يمشي أبطأ لأن تسارع (عجلة) الشخص الذي يزن أخف وزناً أكبر.

 

فيديو توضيحي لقانون نيوتن الثاني

قانون نيوتن الثالث للحركةوتطبيقاته

نص القانون وتفسيره والتعبير الرياضي له

“لكل فعل رد فعل، مساوٍ له في المقدار ومعاكس له في الاتجاه”

أي أن القوة المؤثرة هي قوى متبادلة على الأجسام المختلفة وهذا يعني أنه عندما تؤثر قوة على جسم فلابد من وجود قوة أخرى مصاحبة لها مساوية لها في المقدار ومضادة لها في الاتجاه.

في بعض الأحيان مقدار واتجاه القوة يتحدد عن طريق جسم واحد فقط من الجسمين، فمثلا عندما يؤثر جسم A على جسم آخر B بقوة فإنه يسمى بالفعل ويؤثر الجسم B على الجسم A بقوة لها نفس المقدار ولكنه في اتجاه مضاد ويسمي برد الفعل.

هذا القانون عادة يُسمى قانون الفعل ورد الفعل. في مواقف أخرى يتم حساب مقدار واتجاه القوة عن طريق الجسمين معا وفي هذه الحالة لا نستخدم لفظ الفعل ورد الفعل. كلا القوتين يمكن تسميتها بالفعل ورد الفعل لأنهما قوتين منفصلتين ولا يمكن وجود واحدة دون الأخرى.

في القانون الثالث تكون القوتين من نفس النوع فمثلا عندما يؤثر الطريق على السيارة بقوة احتكاك فإن السيارة أيضا تؤثر على الطريق بقوة احتكاك أخرى.

يُمكن التعبير رياضيًا عن القانون الثالث لنيوتن من خلال المعادلة التالية :

جسم 1 يؤثر بقوة F1 على جسم آخر 2 والذي يؤثر بقوة F2 على الجسم 1 

تطبيقات قانون نيوتن الثالث 

• يطبق المهندسون قانون نيوتن الثالث عند تصميم الصواريخ وأجهزة القذائف الأخرى، فمثلا اندفاع الغازات الناتجة من الصاروخ لأعلى عند اشتعاله تسبب زيادة سرعته.

• عندما يسير شخص فإنه يؤثر على الأرض بقوة وتؤثر عليه الأرض بقوة أيضا لذلك كل من الأرض والشخص يؤثرون على بعضهما البعض.
• عندما تقفز تطبق رجليك قوة على الأرض، وتطبق الأرض قوة رد فعل مساوية ومعاكسة تدفعك إلى الهواء.
•  عندما يكون الشخص بالماء فإن الماء يدفع الشخص للأمام بينما يدفع الشخص الماء للخلف فكلاهما يؤثر على بعضهما.
• تخلق المروحيات قوة الرفع عن طريق دفع الهواء لأسفل، وبالتالي تتعرض لقوة رد فعل تصاعدية.
• تطير الطيور والطائرات أيضًا عن طريق ممارسة القوة على الهواء في اتجاه معاكس لأي قوة يحتاجونها. على سبيل المثال، أجنحة الطائر تدفع الهواء للأسفل وللخلف من أجل رفع الحركة للأمام.

فيديو توضيحي لقانون نيوتن الثالث

قانون نيوتن الثالث وقانون هوك

في بعض الحالات عند تطبيق قانون نيوتن الثالث لابد من مراعاة عوامل أخرى مثل  الإجهاد (stress) والتشويه (deformation) . فمثلًا في الشكل التالي، كتلة السيارة تزداد بسبب دخول الراكب. يؤثر هذا على إزاحة السيارة في نظام التعليق الخاص بها. 

ما سبق يُعرف باسم قانون هوك للمرونة  يشير إلى أن الكمية التي يتغير بها الجسم مرتبطة خطيًا بالقوة المسببة لهذا التغير (الشد). المواد التي ينطبق عليها قانون هوك هي مواد ذات مرونة خطية.

 

 

 

لمزيد من المعلومات يُمكنك تجربة معمل براكسيلابس الافتراضي الخاص بتجربة قانون هوك  اشترك الآن وحدد خطتك

 

ابدا تجربتك المعمليه عبر الانترنت الان!

 

 

قانون الجذب العام لنيوتن

نص القانون وتفسيره والتعبير الرياضي له

“أي جسمين في الكون توجد بينهما قوة تجاذب تتناسب طرديًا مع حاصل ضرب كتلتيهما، وعكسيًا مع مربع المسافة بينهما”

صاغ نيوتن قانون الجذب العام بناءاً على ملاحظات تجريبية قام بها جاليليو سابقاً حيث لاحظ أنه بالقرب من سطح الأرض تسقط الأجسام ذات الكتل المختلفة في نفس الوقت (أي أن جاذبية الأرض تجذب جميع الكتل بنفس التسارع).

وينص هذا القانون على أن القوة التي يجذب بها جسم ما (مثل الشمس) جسما أخر (مثل كوكب الأرض) تزداد بزيادة كتلة الجسمين وتتناقص مع مربع المسافة بينهما. أي إذا جعلنا المسافة بين الجسمين ضعف المسافة الحالية ستصبح القوة أقل بـ (2×2) أي أربع مرات. وإذا جعلنا المسافة أكبر ب 3 مرات تصبح القوة أضعف بـ (3×3) أي تسع مرات وهكذا. وقد وضح نيوتن أن هذا القانون يصف حركة الأجرام السماوية كالكواكب والأقمار والنجوم وتصف أيضاً حركة الأجسام على الأرض أي أنه يصلح في أي نقطة من الكون لذلك يدعى قانون الجاذبية الكوني أو العام.

وبالعودة للقانون الثالث لنيوتن فإن الأرض تجذبك بقوة نحو الأسفل (فعل) وأنت تجذبها بنفس القوة نحو الأعلى (رد الفعل) ولكن قيمة هذه القوة لها تأثير ملحوظ على كتلة صغيرة مثل كتلتك، بينما تأثيرها ضعيف جداً جداً على كتلة الأرض الضخمة بالنسبة لك.

يُمكن التعبير رياضيا عن قانون الجذب العام لنيوتن:

حيث:

F هي القوة الناتجة عن الجاذبية

 G هو ثابت الجذب العام بين الكتل

m 1 هي كتلة الجسيم الأول

m 2 هي كتلة الجسيم الثاني

 r هو البعد بين الجسيمين

أهمية قانون الجذب العام 

لقانون الجذب العام لنيوتن أهمية كبيرة فهو يفسر كيف تؤثر الجاذبية عليا و على سيرنا على الأرض. بمعنى أخر، إنه يبقينا على الأرض حتى نتمكن من العيش على الأرض وعدم طيران الناس في الجو والفضاء.و يفسر حركة القمر حول الأرض وحركة الكواكب حول الشمس،و السبب وراء المد والجزر في البحار على الأرض.

يفسر أيضا السقوط الحر، عندما يسقط جسم من أي ارتفاع تحت تأثير قوة الجاذبية فقط ، يُعرف بالسقوط الحر. وتعتبر تجربة السقوط الحر واحدة من أهم التطبيقات لثلاثة تجارب علمية في علم الفيزياء

جرب معمل براكسيلابس الافتراضي الخاص بتجربة السقوط الحر .. اشترك الآن وحدد خطتك

سجل فى مختبر براكسيلابس الافتراضي الان!

 

قانون نيوتن للتبريد 

نص القانون وتفسيره والتعبير الرياضي له

“مُعدل فقد حرارة الجسم يتناسب بشكل مباشر مع الفرق في درجة حرارة بين الجسم ومحيطه”

 ينتج اختلاف درجة الحرارة في أي حالة عن تدفق الطاقة إلى نظام أو تدفق الطاقة من النظام إلى المناطق المحيطة. الأول يؤدي إلى التسخين ، في حين أن الأخير يؤدي إلى تبريد الجسم.

يعدَّل القانون عادةً ليشمل الحالة التي يكون الفرق الحراري فيها صغيرًا وطبيعة آلية انتقال الحرارة تبقى نفسها. القانون بصيغته الأصلية يكافئ القول أن معامل انتقال الحرارة، الذي يتوسط بين الضياعات الحرارية والفروق في درجات الحرارة، ثابت. أخيرًا، في حالة انتقال الحرارة بالإشعاع الحراري، يبقى قانون نيوتن صحيحًا فقط في حالة التغيرات الصغيرة نوعًا ما في درجات الحرارة.

أي يمكننا القول أن هناك حدود لقانون نيوتن للتبريد:

• يجب أن يكون الاختلاف في درجة الحرارة بين الجسم والمحيط صغيرًا.
• أن يكون فقدان الحرارة من الجسم عن طريق الإشعاع فقط.
• يتمثل الحد الرئيسي لقانون التبريد لنيوتن في أن درجة حرارة البيئة المحيطة يجب أن تظل ثابتة أثناء تبريد الجسم.

المعادلة الرياضية:

 

 Q  = معدل انتقال الحرارة خارج الجسم

h = معامل انتقال الحرارة

a= مساحة سطح نقل الحرارة

T = درجة حرارة سطح الجسم

T env = درجة حرارة البيئة

T (t) = درجة الحرارة المعتمدة على الوقت

تطبيقات قانون نيوتن للتبريد

•  يساعد في تحديد وقت الوفاة بالنظر إلى درجة حرارة الجسم المحتملة وقت الوفاة ودرجة حرارة الجسم الحالية.

•  يُعد قانون التبريد لنيوتن مفيدًا لدراسة تسخين المياه لأنه يمكن أن يخبرنا عن مدى سرعة تبريد الماء الساخن في الأنابيب. 
•  التنبؤ بالوقت الذي يستغرقه الجسم الساخن ليبرد عند درجة حرارة معينة.
•  يمكن استخدامه عندما نريد حساب المدة التي سيستغرقها الجسم حتى يبرد من درجة حرارة معينة. تتضمن تطبيقات الحياة اليومية حساب وقت تبريد الشاي والحساء وما إلى ذلك.

تطبيقات قوانين نيوتن في الحركات الرياضية

 

 

فيما يلي تلخيص لقوانين نيوتن عند تطبيقها في الحركات الرياضية:

• العداء في سباق 100 متر يستمر في ركضه الا اذا كانت هناك قوة توقفه أو تقلل من سرعته.
• القفز لمسافة بعيدة يتطلب من الرياضي الركض من مسافة وبسرعة معينة لتحقيق تلك القفزة اي هناك قوة لتغير حالة الجسم الحركية.
• في تنفيذ الركلات الثابتة والمتحركة في كرة القدم وكذلك عند حدوث التصادم بين اللاعبين احدهما ثابت والأخر متحرك في الأرض او في الهواء – اثناء القفز.
• 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.
• في كل الفعاليات الرياضية فأن القوة المسلطة تكون باتجاه واحد وتكون قوة رد الفعل باالتجاه المعاكس.
• تمارين الباليومترك من انواع التدريب التي تعتمد على مبدأ استخدام القفز من ارتفاعات مختلفة وبالتالي الحصول على ردود افعال عضلية مختلفة تسهم في تطوير العمل العضلي باتجاه المسارات الحركية، وهي تعتمد على مقدار رد فعل السطح الذي يقوم الرياضي بالتدرب عليه.

 

 معامل براكسيلابس الافتراضية في الفيزياء الميكانيكية 

تقدم براكسيلابس معامل العلوم الافتراضية التي تمكنك من إجراء العديد من التجارب المعملية في الفيزياء والكيمياء و تجارب أحياء عبر الانترنت في أي وقت ومكان

جرب الآن المعامل الافتراضية الخاصة بالفيزياء الميكانيكية التي توضح قوانين نيوتن وتطبيقاتها المختلفة في حياتنا.

 

قم بالتسجيل لبدء الإصدار التجريبي المجاني الخاص بك!