براكسيلابس المدونة العربية لمعامل العلوم الإفتراضية براكسيلابس
تتجلى وتتضح قوانين الفيزياء في حياتنا اليومية، ذلك لأنها تحكم وتتحكم بشكل كامل في كل خطوة نتخذها وكل خطوة نقوم بها. تشكل التطبيقات المختلفة لقانون نيوتن الثالث مثالًا جيدًا للذكر في هذا السياق، لا سيما داخل حدود نظامنا الشمسي. في هذا المقال، سنناقش بالتفصيل طبيعة هذا القانون، ومعادلته الرياضية، وأهميته في حياتنا اليومية، بالإضافة إلى ذكر بعض الأمثلة الواقعية يتضح فيها تأثير القانون… هيا بنا لنلقِ نظرة!
ما هو قانون نيوتن الثالث للحركة؟
في عام 1687، وعن طريق مخطوطته Philosophiae Naturalis Principia Mathematica، المعروفة علميًا وفيزيائيًا باسم Principia، قدم السير إسحاق نيوتن للمجتمع العلمي والعالم قوانينه الثلاثة الشهيرة الخاصة بحركة الأجسام، والتي تعرف باسم “قوانين نيوتن للحركة”. تتعامل القوانين الثلاثة بشكل أساسي مع مصطلح “القوة”، فهل تعرف ما هي أنواع القوى؟
توجد القوى في شكلين، إما نتيجة لتفاعلات التلامس، أي: قوى عمودية، وقوى توترية، وقوى احتكاكية، وتطبيقية؛ أو كنتيجة لتفاعلات الأجسام عن بُعد، والتي توجد على هيئة: قوى كهربائية، وقوى المغناطيسية، بالإضافة إلى قوة الجاذبية. يصف القانون الثالث لنيوتن حركة أي شيئين أو جسدين يتفاعلان ليؤثر كل منهما على الآخر.
بمعنى آخر، أنك إذا كنت تقرأ هذا المقال أثناء جلوسك على كرسي، فإن جسدك سيؤثر على الكرسي بقوة اتجاهها إلى أسفل، وكذلك يفعل الكرسي ولكن في الاتجاه المعاكس، أي لأعلى… نعم! يؤثر الكرسي عليك أيضًا ويبذل هو الآخر قوة! ليس هذا وحسب، ولكن خلال هذه المعركة بين جسدك والكرسي، ستؤثر الأرض أيضًا بقوة جذب على كليكما، و ستحاول هذه القوة سحبكما إلى أسفل!! ما تفكر به حقيقي… فكلاكما ستحاولان مقاومة محاولة مركز الأرض لابتلاعكما، وستبذلان قوة معاكسة، متجهة إلى أعلى.
نص قانون نيوتن الثالث
“القوى تأتي في أزواج،” هذه هي الطريقة التي يمكنك بها تشبيه القانون مستخدمًا لغتك اليومية الشائعة. إذًا، ماذا يسمى قانون نيوتن الثالث؟
يُعرف القانون باسم: قانون الفعل ورد الفعل، حيث ينص على أن: “لكل فعل رد فعل، مساوٍ له في المقدار ومضاد له في الاتجاه.”
معادلة قانون نيوتن الثالث
إنها طبيعة الفيزياء أن يكون هناك معادلة مفصلة رياضيًا لكل قانون أو إثباتٍ منطقي. وهكذا، فإن قانون نيوتن الثالث ينص رياضيًا على الآتي:
ق1 = – ق2
حيث أن:
ق1: هي القوة التي يبذلها الجسم الأول على الجسم الثاني، في اتجاه معين،
– ق2: هي القوة التي يبذلها الجسم الثاني على الجسم الأول، ولكن في الاتجاه المعاكس.
يمكننا ذكر صيغة أخرى للقانون، تفيدنا أيضًا أثناء حل المسائل، وهي:
ك1 × ت1 = – (ك2 × ت2)
حيث أن:
ك1: هي كتلة الجسم الأول،
ت1: هو تسارع الجسم الأول،
ك2: هي كتلة الجسم الثاني،
ت2: هو تسارع الجسم الثاني.
هل فهمت تلك القوانين جيدًا؟ تحقق من ذلك!
س1: شخص وزنه 60 كجم، يدفع صندوقًا وزنه 10 كجم بقوة 30 نيوتن إلى اليمين. ما هي القوة المؤثرة على الشخص؟
ج1: 30 نيوتن في اتجاه اليسار.
س2: شخص وزنه 60 كجم، يدفع صندوقًا يزن 10 كجم بقوة 30 نيوتن إلى اليمين. ما هو تسارع الصندوق؟
ج2: عند الحل، نهتم فقط بقوة الصندوق وتسارعه، وهو ما يمثله الرمز 2 في المعادلات التالية:
ق2= 30 نيوتن في اتجاه اليمين ق2= ك2 × ت2
ك2= 10 كجم
ت2= ؟ ت2= ق2/ك2 ت2= 30/10 ت2= 3 متر/ثانية2 يمينًا.
س3: يدفع شخص وزنه 60 كجم صندوقًا وزنه 10 كجم بقوة 30 نيوتن إلى اليمين. ما هو تسارع الشخص؟
ج3: عند الحل، أنت معني فقط بقوة الشخص وتسارعه، وهو ما يمثله الرمز 1 في المعادلات التالية:
ق1= 30 نيوتن في اتجاه اليمين ق1= ك1 × ت1
ك1= 60 كجم
ت1= ؟ ت1= ق1/ك1 ت1= 30/60 ت1= 0.5 متر/ثانية2 يسارًا.
أهمية قانون نيوتن الثالث للحركة
إذا وضعت كتاب الفيزياء الخاص بك على طاولة، فسيظل الكتاب ثابتًا عليها ما لم تحركه أنت أو ما لم تحركه قوة ما. فكر الآن: ما هو قانون الحركة الذي يُبقي كتابك ثابتًا؟
هذا المثال ما هو إلا مثال على قانون نيوتن الثالث للحركة في حياتنا، والذي يهيمن – بلا منازع – على جميع أنشطتنا اليومية.
تكمن أحد نقاط أهمية قانون نيوتن الثالث في كونه السبب وراء معرفتنا لقانون آخر محوري في الفيزياء، والذي ينص على أن: “الزخم محفوظ خلال التصادمات بين الأشياء والأجسام”.
يعني هذا أنه حتى لو كان التفاعل الحادث قصيرًا جدًا، ولا نعرف أيًا من مقادير أو اتجاهات القوى أثناء الاصطدام واتصال الأجسام، ولو أننا تأكدنا أن هذه القوى ليست ثابتة أثناء الاتصال؛ ما يزال بإمكاننا حل المشكلة من خلال تحليل ما يفعله الجسمين، وكيف يتصرفان بعد التصادم بناء على معرفتنا بأن الزخم محفوظ، وأن القانون الثالث يُطبق.
تطبيقات على قانون نيوتن الثالث
في الطبيعة وفي حياتنا اليومية، تتواجد مجموعات متنوعة وواضحة من أزواج قوى الفعل ورد الفعل. إذَا، كيف يكون قانون نيوتن الثالث مفيدًا في حياتنا الحقيقية؟
إليك 7 تطبيقات يتضح فيها قانون نيوتن الثالث للحركة:
- المشي: عندما تمشي تقوم بدفع الشارع، أي: تقوم بتطبيق قوة فعل على أرضية الشارع، وتدفعك قوة رد الفعل المبذولة من أرضية الشارع إلى الأمام.
- إطلاق النار: عندما يطلق شخص ما النار من مسدسه، تسحب قوة الفعل الرصاصة خارج المسدس، وتقوم قوة رد الفعل بدفع أجزاء المسدس إلى الخلف.
- القفز من قارب: يتم تطبيق قوة الفعل على القارب، فتدفعك قوة رد الفعل إلى الهبوط، بينما تدفع قوة الفعل نفسها القارب إلى الخلف.
- الصفع: عندما تصفع شخصًا ما، تشعر يدك بالألم وكذلك خد الضحية. الألم الحادث في الخد يكون ناتجًا عن قوة الفعل، بينما يكون الألم في راحة اليد ناتجًا عن قوة رد الفعل.
- ارتداد الكرة: عندما تصطدم الكرة بالأرض، تمارس الكرة قوة فعل على الأرض، وكذلك تطبق الأرض قوة رد فعل على الكرة، فترتد إلى الخلف.
- حركة طيران الطائر: تدفع أجنحة الطائر الهواء لأسفل كقوة فعل، ويدفع الهواء الطائر لأعلى كقوة رد فعل.
- سباحة السمكة: تدفع زعانف السمكة الماء من حولها للخلف كقوة فعل، ويطبق الماء قوة رد فعل عن طريق دفع الزعانف للأمام، وبالتالي تتحرك السمكة كلها إلى الأمام.
لتتخيل الأمثلة السابقة جيدًا، تنصحك براكسيلابس بمشاهدة هذا الفيديو التوضيحي الذي يناقش قانون نيوتن الثالث بسلاسة، وكذلك يضرب عدة أمثلة من حياتنا اليومية.
ابدا تجاربك مع براكسيلابس الان مجانا!
استخدام قانوني نيوتن الثاني والثالث في التكنولوجيا
طور السير إسحاق نيوتن قوانين الحركة الثلاثة كما علمنا سابقًا، وتعد القوانين الثلاثة مكملة لبعضها البعض، وخاصة القانونين الثاني والثالث. ينص القانون الثاني على أن: “تسارع الجسم يتناسب طرديًا مع نفس اتجاه القوة الكلية المؤثرة على النظام، ويتناسب عكسيًا مع كتلته”. يُشار إلى هذا القانون رياضيًا على النحو التالي:
القوة = الكتلة * التسارع
وبالرموز: ق = ك × ت
حيث إن:
ق: القوة، وهي كمية متجهة، ووحدتها نيوتن (N)،
ك: الكتلة، وهي كمية قياسية، ووحدتها كيلوجرام (Kg)،
ت: التسارع (أو العجلة)، وهي كمية متجهة، وتقاس بوحدة (متر/ثانية^2).
يعتبر قانون نيوتن الثاني قانونًا محوريًا في تطبيقات العلوم والهندسة، حيث يجمع هذا القانون بين القوة والحركة في معادلة واحدة وصيغة واحدة. يمكننا من خلال حساب عجلة الجسم، وبالتالي سرعته وموقعه، أن نحدد مساره، وبذلك نتمكن من معرفة مكانه في أي وقت.
يستخدم المهندسون قانون نيوتن الثاني لحساب القوى المؤثرة على الأجسام الثابتة. فبالنسبة لجسم ثابت غير متحرك، يكون التسارع صفرًا، وبالتالي يكون مجموع القوى المؤثرة على الجسم صفر أيضًا. يطبق المهندسون قانون نيوتن الثاني أثناء تصميم هياكل المباني والجسور، وذلك لحساب القوى المؤثرة على المفاصل المستخدمة في عمليات التشييد.
بينما تعد المصاعد مثالًا آخر مناسبًا، حيث أنها تتبع في حركتها قانون نيوتن الثاني، والذي بموجبه يتم تحديد قوة شد الحبال للحد من تسارع جسم المصعد أثناء النزول، وكذلك لدعمه أثناء الصعود.
شرح قانون نيوتن الثالث
يشرح قانون نيوتن الثالث كيفية عمل المنطاد ومحركات الصواريخ. فعندما يتم تحرير عنق المنطاد المنفوخ، تندفع المادة المطاطية المشدودة عكس الهواء الموجود داخله، ويُدفَع الهواء خارجًا من رقبة البالون، وبما أن حركة اندفاع الهواء تكون ضد اتجاه البالون نفسه، يؤدي ذلك إلى تحرك البالون في الاتجاه المعاكس.
أما عن محركات الصواريخ، فعندما يحترق وقود الصاروخ تنتج غازات ساخنة، وتتمدد هذه الغازات بسرعة وتُجبر على الخروج من الجزء الخلفي من الصاروخ، حيث يُعرف ذلك باسم قوة الفعل. بينما تمارس الغازات في الوقت نفسه قوة مساوية ومعاكسة على الصاروخ، وهذه القوة معروفة علميًا باسم قوة رد الفعل، وهي التي تدفع الصواريخ إلى أعلى.
تتبع كل من العجلات والرافعات قانون نيوتن الثالث للحركة، حيث أن قوة رد الفعل هي آلية القيادة لهاتين الأداتين. أما إذا كنت تتساءل الآن هل قوة الشد من التطبيقات على قانون نيوتن الثالث؟
فلإجابة هذا السؤال عليك تخيل المعدات الموجودة في صالة الألعاب الرياضية (الجيم)، والتي تعتمد في الأغلب على البكرة، وبالتالي فإن قانون نيوتن الثالث للحركة هو القانون المعمول به أثناء قيامك بالتمارين.
تجارب على قانون نيوتن الثالث
يبدو أن القانون الثالث يتحكم حرفيًا في كل شيء حولنا، من علم الصواريخ إلى حركة الحيوانات إلى حياة البشر اليومية، ولذلك فإنه من أكثر القوانين التي يوجد لها تجارب في معامل ومناهج الفيزياء المختلفة. تتيح لك براكسيلابس التعامل مع هذه المعامل افتراضيًا، حيث تقوم بإجراء هذه التجارب وأنت جالس مكانك وفي أي وقت تختار، عن طريق جهاز الكمبيوتر الخاص بك وفقط!
يمكنك الآن إنشاء حساب والتعرف على المزيد عن قوانين نيوتن بشكل خاص، وكل مناحي الفيزياء بشكل عام من خلال الضغط هنا.
أمثلة على قانون نيوتن الثالث للحركة في الرياضة
يتحكم هذا القانون أيضًا في كيفية أداء الرياضيين والرياضيات لأنشطتهم الرياضية، نظرًا لأنه يوصف بكونه قانون “الفعل ورد الفعل”، فلذلك يعد قانونًا أساسيًا في مختلف مجالات الرياضة.
بالإضافة إلى أنه يعمل جنبًا إلى جنب مع قانون الحفاظ على الزخم، حيث تتضمن الرياضات العديد من أشكال التصادمات غير المرنة في أغلب الأوقات، وكذلك التصادمات المرنة في بعض الحالات النادرة.
سيستمر قرص الهوكي في الانزلاق على الجليد ما لم يصطدم بالحائط أو يصطدم به لاعب آخر. أما بالنسبة إلى القفز من الطوافة، فالأمر يتطلب من السباحين التحرك إلى الأمام في الهواء، وأن تتحرك الطوافة إلى الخلف عبر الماء بالتبعية. كما يتضح تأثير قانون نيوتن الثالث جليًا في ميادين الرماية، لأن هذا النوع من الأنشطة لم يكن ليوجد دون وجود قاعدة الفعل ورد الفعل.
إذا لم تشاهد أية مقاطع فيديو تشرح كيفية انتقال الطاقة بين لاعبي كرة القدم الذين يصطدمون أثناء المباراة، وكيف يؤثر قانون نيوتن الثالث على حركتهم في الملعب، أو كيف يمكن للزخم أن يحافظ على حركة اللاعب أو أن يوقفه عن مساره، انقر هنا لمشاهدة هذا الفيديو حيث يشرح أساتذة الجامعات كيف يحصل لاعبي كرة القدم الأميركية على أقصى استفادة من الفيزياء من خلال تطبيق قوانينها في ملاعبهم.
إذا كنت تود الاستزادة والإلمام بجميع قوانين نيوتن للحركة، فيمكنك قراءة هذا المقال للمزيد من المعلومات والمعادلات والأمثلة عن القانون الأول، أو الإطلاع على هذا المقال الذي يستعرض القانون الثاني بشكل سلس ومُركز.
