قانونهای نیوتن: سه قانون بنیادین حرکت
نیرو و حرکت: یک آشنایی مقدماتی
قبل از پرداختن به قوانین نیوتن، باید دو مفهوم کلیدی را تعریف کنیم: نیرو[4] و حرکت. نیرو هرگونه هل دادن یا کشیدن است که میتواند باعث تغییر در حرکت یک جسم شود. حرکت نیز به تغییر مکان یک جسم در طول زمان گفته میشود. سؤال اصلی که نیوتن به آن پاسخ داد این بود: «رابطه دقیق بین این نیروهای وارد شده و تغییر حرکت چیست؟» برای درک بهتر، اجازه دهید یک مثال بزنیم: وقتی شما یک توپ ساکن روی زمین را با پا میزنید (نیرو)، توپ از حالت سکون خارج شده و به حرکت درمیآید (تغییر حرکت).
قانون اول نیوتن: قانون لَختی یا اینرسی
نیوتن قانون اول خود را این گونه بیان کرد: «هر جسمی، حالت سکون یا حرکت یکنواخت[6] روی خط راست خود را حفظ میکند، مگر آنکه تحت تأثیر یک نیروی خارجی، مجبور به تغییر آن حالت شود.»
این قانون به نام قانون لَختی نیز شناخته میشود. لَختی[7] همان تمایل ذاتی همه اجسام برای مقاومت در برابر هرگونه تغییری در حالت حرکتشان است. هرچه جرم[8] یک جسم بیشتر باشد، لختی آن بیشتر است و تغییر حالت حرکتش سختتر.
| نمونه رویداد | توصیف بر اساس قانون اول |
|---|---|
| تکان شدید یک اتوبوس هنگام ترمز ناگهانی | بدن مسافر تمایل دارد (به دلیل لختی) حالت حرکت رو به جلو خود را حفظ کند. در حالی که اتوبوس ناگهان متوقف میشود، بنابراین مسافر به سمت جلو پرتاب میشود. |
| لغزش روپوش میز هنگام کشیدن سریع آن از زیر ظروف | ظروف تمایل دارند در حالت سکون خود باقی بمانند. وقتی نیرو به میز وارد میشود، ظروف به دلیل لختی، تقریباً در جای خود باقی میمانند (البته کمی اصطکاک[9] هم هست). |
| حرکت سیارات به دور خورشید | در فضا که تقریباً خلأ است و نیروی اصطکاکی وجود ندارد، سیارهها به حرکت خود در مسیر مستقیم ادامه میدهند، اما نیروی گرانش[10] خورشید به طور دائم مسیر آنها را به شکل دایرهای (یا بیضی) منحرف میکند. |
قانون دوم نیوتن: قلب مکانیک کلاسیک
قانون دوم، رابطه کمی و دقیق بین نیرو، جرم و شتاب[11] را بیان میکند. این قانون میگوید: «شتاب یک جسم، با نیروی خالص[12] وارد بر آن، نسبت مستقیم و با جرم آن، نسبت معکوس دارد. جهت شتاب نیز در راستای نیروی خالص است.»
این قانون به شکل معادلهای بسیار معروف و پرکاربرد نوشته میشود:
در این فرمول:
$\vec{F}_{net}$ نمایانگر نیروی خالص وارد بر جسم (بر حسب نیوتن[13]) است.
$m$ جرم جسم (بر حسب کیلوگرم) است.
$\vec{a}$ شتاب حاصل (بر حسب متر بر مجذور ثانیه) است.
نیروی خالص چیست؟ اگر چند نیرو به یک جسم وارد شوند، نیروی خالص، حاصل جمع برداری[14] همه آن نیروهاست. برای محاسبه شتاب، باید همیشه از نیروی خالص استفاده کرد.
مثال: فرض کنید یک اسباببازی با جرم 0.5 کیلوگرم روی یک سطح بیاصطکاک قرار دارد. اگر آن را با نیروی ثابت 2 نیوتن به سمت راست هل دهیم، شتاب آن چقدر میشود؟
با استفاده از فرمول: $a = \frac{F}{m} = \frac{2}{0.5} = 4$ متر بر مجذور ثانیه. یعنی سرعت اسباببازی در هر ثانیه، 4 متر بر ثانیه افزایش مییابد.
قانون سوم نیوتن: برای هر کنشی، یک واکنش است
این قانون به تعامل بین دو جسم میپردازد: «هرگاه جسم A به جسم B نیرویی وارد کند، جسم B نیز همزمان به جسم A نیرویی با همان اندازه، ولی در جهت مخالف وارد میکند.»
به عبارت سادهتر، نیروها همیشه جفتجفت و بین دو جسم متفاوت ظاهر میشوند. ما معمولاً یکی را کنش[15] و دیگری را واکنش[16] مینامیم.
نکته بسیار مهم: این دو نیروی کنش و واکنش، هرگز یکدیگر را خنثی[17] نمیکنند! زیرا هر کدام به یک جسم متفاوت وارد میشوند. آنچه در قانون دوم مهم است، نیروهای وارد بر یک جسم خاص است.
مثالهای ملموس:
- راه رفتن: وقتی شما روی زمین قدم برمیدارید، پاهای شما به زمین نیرویی به سمت عقب وارد میکنند (کنش). طبق قانون سوم، زمین نیز همزمان به پای شما نیرویی مساوی و رو به جلو وارد میکند (واکنش) که باعث حرکت شما به سمت جلو میشود.
- تیرکمان: هنگامی که کمان را رها میکنید، زهی کمان به تیر نیرویی رو به جلو وارد میکند (کنش بر تیر). همزمان، تیر نیز به زهی کمان نیرویی رو به عقب وارد میکند (واکنش بر کمان) که شما آن را در دست خود احساس میکنید.
- بالگرد: ملخهای بالگرد هوا را به سمت پایین میفشارند (کنش بر هوا). هوا نیز مطابق قانون سوم، نیرویی مساوی و رو به بالا به ملخها وارد میکند (واکنش) که بالگرد را در هوا نگه میدارد.
کاربرد قوانین نیوتن در مهندسی و فناوری
این سه قانون فقط نظریهای انتزاعی نیستند، بلکه اساس طراحی بسیاری از ماشینآلات و سازههای اطراف ما هستند. مهندسان با استفاده از این قوانین میتوانند محاسبات دقیقی انجام دهند.
مثال ۱: طراحی خودرو و کمربند ایمنی قانون اول نیوتن دلیل اصلی وجود کمربند و کیسه هوا است. در یک تصادف، خودرو ناگهان متوقف میشود (تغییر سرعت به دلیل نیروی خارجی برخورد)، اما سرنشینان تمایل دارند با سرعت قبلی به حرکت خود ادامه دهند. کمربند ایمنی با اعمال نیروی بازدارنده به بدن (نیروی خارجی)، این حرکت را متوقف میکند و از پرتاب شدن جلوگیری میکند.
مثال ۲: پرتاب موشک و فضاپیما موشک چگونه در فضای خلأ حرکت میکند؟ قانون سوم نیوتن پاسخ میدهد. موشک سوخت خود را با سرعت بسیار بالا به سمت عقب پرتاب میکند (کنش بر گازهای خروجی). در واکنش، آن گازها نیرویی مساوی و در جهت مخالف، یعنی به سمت جلو، به موشک وارد میکنند و آن را به حرکت درمیآورند. این اصل را پیشرانش[18] مینامند.
مثال ۳: پلها و ساختمانها در طراحی پل، مهندسان باید تمام نیروهای وارد بر پایهها و تیرها را (بر اساس قانون دوم) محاسبه کنند تا مطمئن شوند نیروی خالص وارد بر هر بخش صفر است یا در حد تحمل مصالح است. این کار باعث پایداری و عدم فروریختن سازه میشود.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاورقی
[1] Newton's Laws of Motion
[2] Isaac Newton
[3] Law of Inertia
[4] Force
[5] Particle
[6] Uniform Motion: حرکتی با سرعت ثابت.
[7] Inertia
[8] Mass
[9] Friction
[10] Gravity
[11] Acceleration: نرخ تغییر سرعت در واحد زمان.
[12] Net Force
[13] Newton (N): یکای نیرو. نیرویی که به جسمی با جرم ۱ کیلوگرم، شتاب ۱ متر بر مجذور ثانیه بدهد.
[14] Vector Sum: جمعی که جهت کمیتها در آن مهم است.
[15] Action
[16] Reaction
[17] Cancel
[18] Propulsion
[19] Weight
[20] Scalar: کمیتی که فقط اندازه دارد و جهت ندارد (مانند جرم، دما).
