السير إسحق نيوتن  Isaac Newton ‏ (25 ديسمبر 1642 – 20 مارس 1727) عالم إنجليزي يعد من أبرز العلماء مساهمة في الفيزياء والرياضيات عبر العصور وأحد رموز الثورة العلمية. شغل نيوتن منصب رئيس الجمعية الملكية، كما كان عضوًا في البرلمان الإنجليزي، إضافة إلى توليه رئاسة دار سك العملة الملكية، وزمالته لكلية الثالوث في كامبريدج وهو ثاني أستاذ لوكاسي للرياضيات في جامعة كامبريدج. أسس كتابه الأصول الرياضية للفلسفة الطبيعية الذي نشر لأول مرة عام 1687، لمعظم مبادئالميكانيكا الكلاسيكية. كما قدم نيوتن أيضًا مساهمات هامة في مجال البصريات، وشارك غوتفريد لايبنتز في وضع أسس التفاضل والتكامل.

صاغ نيوتن قوانين الحركة وقانون الجذب العام التي سيطرت على رؤية العلماء للكون المادي للقرون الثلاثة التالية حتى حلت محلها نظرية النسبية.

كما أثبت أن حركة الأجسام على الأرض والأجسام السماوية يمكن وصفها وفق نفس مبادئ الحركة والجاذبية. وعن طريق اشتقاق قوانين كبلر من وصفه الرياضي للجاذبية، أزال نيوتن آخر الشكوك حول صلاحية نظرية مركزية الشمس كنموذج للكون.

القوة

تُعتبر القوة كلّ مؤثّر خارجي أو فعل يغيّر في شكل الجسم، أو حالته، أو في اتجاه مساره، أو يؤثر على حركته، فيبطئه، أو يزيد في سرعته، أو يوقفه، والقوّة هي كميّة فيزيائيّة لها مقدار واتجاه، وتقاس بوحدة النيوتن، نسبة للعالم الذي اكتشفها وهو العالم إسحاق نيوتن في القرن السابع عشر.

أنواع القوة

هُناك العديد من أنواع القوّة وتختلف الأنواع باختلاف مصدرها وماهيتها، وما يلي بعض أنواع القوّة:

1. قوّة الجاذبيّة الأرضيّة: وهي قوّة تنشأ بين الاجسام؛ فإن كل جسم يؤثّر في الجسم الآخر بقوّة عن بعد دون الضرورة إلى التلامس فيما بينهم، وتتمثّل هذه القوّة بجذب الأرض للأجسام التي تحتويها، كجذب الأرض للإنسان والأجسام الواقعة عليها، وقوّة جذب الشّمس للأرض، كما تُسمّى قوّة جذب الأرض للأجسام بوزن الجسم، فالوزن هو أحد أنواع القوّة المتجهة، ولكل جسم وزن معيّن.

2. قوّة الاحتكاك: وهي قوّة تحدث بين سطوح الأجسام التي تنزلق فوق بعضها، وتكون هذه القوّة معاكسة لاتجاه الحركة التي تتحرك بها الأجسام.

3. قوّة الشّد: وتحدث هذه القوّة بين الأجسام التي يتمّ سحبها باستخدام قوّة محددة أو أدوات محددة كالحبال.

4. القوة العامودية: وهي القوة التي يؤثّر السطح بها على جسم يلامسه، وتكون دائماً عمودية على السطح.
5. القوة الكهروسكونية: هي القوة التي تنتج عند تراكم الشحنات الكهربائية، الناتجة من احتكاك مادتين أو أكثر فتعمل على تجاذب هذه المواد.

6. القوة المغناطسية: وهي القوة التي تؤثر في جذب المغناطيس إلى مغناطيس آخر، أو إلى إحدى المواد المغناطيسية كالحديد والكروم والنيكل؛ حيث إنّ المغناطيس يتكوّن من قطبين موجب وسالب، تتنافر المتشابهة وتتجاذب المختلفة.

7. قوة المرونة للنابض: إذا علق جسم بنابض وكانت ازاحته بمقدار س من موضع الإتزان فإن النابض يؤثر عليه بقوة تحاول إعادته إلى هذا الموضع وتسمى بقوة الإسترجاع التي تساوي وتعاكس القوة الخارجية المؤثرة عليه، ويعبر عن قوة الإسترجاع رياضيا ق= -أ × س وهو ما يعرف بقانون هوك.

قانون هوك في القرن السابع عشر نشر الفيزيائيّ البريطانيّ روبرت هوك نتائج دراسته للنوابض، وما توصّل إليه هو أنّ القوة اللازمة لجعل النابض يستطيل أو ينضغط تتناسب مع مقدار هذا الانضغاط أو هذه الاستطالة، أو بكلماتٍ أخرى: إنّ القوة تتناسب مع مقدار إزاحة النابض عن نقطة الاتزان. ويُعبَّر عن قانون هوك رياضيّاً، بهذا القانون: ق= -أ × س.

حيث إنّ:

ق: هي القوة المؤثرة على النابض.

س: هي مقدار الإزاحة عن نقطة اتّزان النابض، أي أنّها مقدار الاستطالة أو الانضغاط.

أ: هو ثابت النابض؛ وهو يدلّ على مدى صلابة النابض.

يُعدّ قانون هوك أوّل مثال كلاسيكيّ يُوضّح المرونة؛ حيث إنّ المرونة هي خاصيّة في الأجسام، تُمكّنها من العودة إلى شكلها الأصليّ بعد زوال القوة المؤثرة عليها.

 مثال:  احسب القوّة المؤثّرة على نابض إذا علمت أنّ مقدار التَّغير في طوله 4سم، ومعامل المرونة أو ثابت القوة مقداره 625 نيوتن/م؟

الحلّ: يُرمَز لمقدار الإزاحة بالرمز س، إلا أنّه هنا بوحدة السنتيمتر، لذا يتمّ تحويله إلى وحدة المتر، وذلك بقسمته على 100: س=4سم÷100 س=0.04م وبتعويض قيمة كلٍّ من الإزاحة ومعامل المرونة في قانون هوك:

ق=-أ×س ق=-625×0.04

ق=-25 نيوتن.

8. القوة المركزية 

بالاعتماد على تعبير التسارع المركزي لدقيقة مادية تتحرك في مسار دائري ، وباستخدام قانون نيوتن الثاني ، نستطيع أن نحصل على القوى التي تؤثر في الدقيقة باتجاه نصف قطرها ، وهي :

ق م = ك ع² نق

وحيث أن التسارع  ت م = ع² نق  باتجاه المركز ، فإن اتجاه ق م  يكون أيضاً باتجاه المركز، ولذلك فإن كلمة ” المركزية ” ترمز إلى اتجاه تأثير القوة ، ذلك أنها تؤدي إلى تغيير في اتجاه سرعة الجسم الذي تؤثر فيه ، ولا تؤدي إلى تغيير في مقدار السرعة .

ويستطيع الفرد منا أن يربط جسما أو حجراً إلى طرف خيط ، ويجعله يدور في مسار دائري ، ونشعر عندئذ أننا نؤثر بقوة في الخيط (وبالتالي على الجسم) باتجاه الداخل ، وهذه هي القوى المركزية ؛ واذا انقطع الخيط ، فإن التغير في اتجاه السرعة يتوقف ، وينطلق الجسم باتجاه مماس لدائرة الدوران عند نقطة القطع .

QUIZ 1

https://quizlet.com/469863567/match

QR code

قانون نيوتن الأول

وينص هذا القانون على أنّ الجسم الساكن يظل ساكناً، والجسم المتحرك الذي يكون بسرعة محددة أي ثابتة وفي خط مستقيم يستمر ويبقى بحركته بالسرعة والاتجاه نفسه، إنْ لم تؤثر قوة خارجية فيه تجبره على تغيير ذلك.

ويصف هذا القانون ميل الأجسام للمحافظة على حالتها الحركيّة وممانعة تغييرها، ويطلق على هذه الظاهرة خاصيّة القصور الذاتي، لذا يسمى قانون نيوتن الأول بقانون القصور الذاتي، وهذه الخاصية تعتمد على كتلة القصور للجسم وتزداد بازديادها، وهذا يعني أنّ تغيير الحالة الحركية للجسم تكون أصعب كلما كانت كتلة القصور له أكبر.

قانون نيوتن الثاني

اختص قانون نيوتن الثاني بدراسة حركة الجسم عند تأثير قوى خارجية عليه.

ويعرّف قانون نيوتن الثاني بأنه إذا أثرت قوة خارجية أو عدة قوى على جسم ما فإن هذه القوة ستكسبه تسارعاً يتناسب مع محصلة القوى المؤثرة عليه وكتلة القصور الذاتي للجسم.

ويمكن التعبير عن هذا القانون رياضياً كما يلي:

القوة المحصلة = ك * ت

حيث إنَّ:

القوة المحصلة: هي محصلة القوى المؤثرة في الجسم ووحدتها نيوتن.

ك: كتلة الجسم ووحدتها كغم.

ت: تسارع الجسم ووحدته م/ث².

مثال: إذا أثرت قوة مقدارها 15 نيوتن على جسمٍ ما فأكسبته تسارعاً بمقدار 5 م/ث² فاحسب كتلة الجسم.

  الحل:

القوة المحصلة=ك*ت

15=ك*5

ك=5/15

ك=3 كغم

تطبيقات على قانون نيوتن الثاني

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.

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.

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.

حركة جسمٍ على مستوى مائل بوجود الاحتكاك

عندما يتحرك جسمٌ على سطحٍ مائلٍ فيه بعض الخشونة فإن الحركة ستكون صعبةً؛ وذلك لأن قوة الاحتكاك التي تنشأ بين المستوى والجسم المتحرك تكون بعكس اتجاه الحركة؛ وبالتالي تعيقها وتقلل من سرعتها، أما إذا كان المستوى أملس فستكون الحركة أسهل وبسرعةٍ أكبر؛ ذلك لأن قوة الاحتكاك تكون أقل بكثيرٍ، وهذا ما يفسر صعوبة أو سهولة حركة الأجسام على الأسطح المائلة مع اختلاف السرعات.

قانون نيوتن الثالث

ينص على أن لكل فعل رد فعل مساوياً له في المقدار ومعاكساً له في الاتجاه، ويؤثران في جسمين مختلفين ويعملان على الخط نفسه.

تطبيقات على قانون نيوتن الثالث

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.

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.

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.

Quiz 2

https://quizlet.com/372444055/match

QR code