قوانین نیوتن: سه قانون بنیادین حرکت
نگاهی به زندگی و دستاوردهای ایزاک نیوتن
ایزاک نیوتن (۱۶۴۲-۱۷۲۷ میلادی) دانشمند انگلیسی یکی از تأثیرگذارترین چهرهها در تاریخ علم است. او نه تنها قوانین حرکت و قانون جهانی گرانش۵ را فرمولبندی کرد، بلکه در زمینههای نورشناسی۶ و حسابان۷ نیز اکتشافات شگرفی داشت. قوانین حرکت او نتیجهی ترکیب مشاهده، آزمایش و استدلال ریاضی بود و توانست توصیف دقیقی از دنیای فیزیکی ارائه دهد که برای قرنها پایدار ماند.
قانون اول نیوتن: قانون لختی یا اینرسی
این قانون که به قانون لختی۴ معروف است، پایهای برای دو قانون دیگر محسوب میشود. قانون اول بیان میکند:
به زبان ساده: یک جسم در حال سکون تمایل دارد ساکن بماند و یک جسم در حال حرکت تمایل دارد با همان سرعت و در همان جهت به حرکت خود ادامه دهد. این تمایل ذاتی اجسام برای مقاومت در برابر تغییر حالت حرکت را لختی۴ مینامیم. لختی یا اینرسی یک جسم به جرم۸ آن وابسته است. هرچه جرم جسم بیشتر باشد، لختی آن بیشتر است و تغییر حالت حرکتش دشوارتر.
مثال عملی: وقتی اتوبوس ناگهان ترمز میگیرد، مسافران به سمت جلو پرتاب میشوند. زیرا بدن آنها تمایل دارد با سرعت قبلی اتوبوس به حرکت خود ادامه دهد. یا هنگامی که روی یک فرش لغزنده میایستید و میخواهید به جلو حرکت کنید، پای شما به عقب میلغزد زیرا تمایل دارد در جای خود بماند (حالت سکون).
| حالت اولیه جسم | نیروی خالص خارجی | نتیجه بر اساس قانون اول | مثال روزمره |
|---|---|---|---|
| سکون | صفر | جسم ساکن میماند. | کتاب روی میز بیحرکت. |
| حرکت یکنواخت | صفر | جسم به حرکت یکنواخت خود ادامه میدهد. | فضاپیما در فضای عمیق و خلأ. |
| سکون | بزرگتر از صفر | جسم شتاب میگیرد و حرکت میکند. | شوت کردن توپ فوتبال. |
| حرکت | بزرگتر از صفر (مخالف جهت) | جسم کند شده یا میایستد. | ترمز گرفتن دوچرخه. |
قانون دوم نیوتن: قلب محاسبات نیرو و شتاب
اگر قانون اول بگوید چه زمانی حرکت تغییر میکند، قانون دوم دقیقاً مشخص میکند که این تغییر چقدر خواهد بود. این قانون مشهورترین قانون نیوتن است و به صورت ریاضی بیان میشود:
در این فرمول:
- $F$ نشاندهندهی نیروی خالص۱۰ وارد بر جسم است (بر حسب نیوتن۱۱).
- $m$ نشاندهندهی جرم۸ جسم است (بر حسب کیلوگرم).
- $a$ نشاندهندهی شتاب۹ حاصل است (بر حسب متر بر مجذور ثانیه).
مثال عملی ۱: برای هل دادن یک سبد خرید خالی (جرم کم) و یک سبد خرید پر از کتاب (جرم زیاد) با نیروی یکسان، سبد خالی شتاب بیشتری میگیرد و سریعتر حرکت میکند زیرا در فرمول $a = F/m$، با افزایش $m$، شتاب $a$ کاهش مییابد.
مثال عملی ۲: وقتی با پای خود به توپ ضربه میزنید (اعمال نیرو)، توپ شتاب گرفته و سرعتش تغییر میکند. هر چه نیروی وارد شده قویتر باشد، توپ شتاب بیشتری میگیرد و تندتر پرواز میکند.
قانون سوم نیوتن: هر کنشی، واکنشی برابر و مخالف دارد
این قانون برهمکنش بین دو جسم را توصیف میکند و نشان میدهد که نیروها همیشه به صورت جفتهای برابر و مخالف ظاهر میشوند.
نکتهی کلیدی این است که این دو نیروی کنش و واکنش بر دو جسم مختلف وارد میشوند. بنابراین یکدیگر را خنثی نمیکنند (زیرا بر یک جسم واحد عمل نمیکنند).
مثال عملی ۱ (راه رفتن): هنگام راه رفتن، پای شما به زمین نیرویی به سمت عقب وارد میکند (کنش). در پاسخ، زمین نیرویی برابر و مخالف (به سمت جلو) به کفش شما وارد میکند (واکنش) که شما را به جلو میراند. اگر روی یخ لغزنده باشید، نیروی کنش پای شما کافی نیست تا واکنش مناسبی از زمین بگیرید، بنابراین میلغزید.
مثال عملی ۲ (پرتاب موشک): موتور موشک گازهای داغ را با نیروی زیاد به سمت پایین و عقب پرتاب میکند (کنش بر گازها). گازهای داغ در مقابل، نیرویی برابر و مخالف به سمت بالا و جلو به موشک وارد میکنند (واکنش بر موشک) که آن را به بالا میراند.
کاربرد قوانین نیوتن در ورزش و مهندسی
این قوانین فقط تئوری نیستند، بلکه در همهجا حضور دارند. در ورزش: ضربهی زنندهی تنیس با راکت به توپ (قانون دوم)، توپ با همان شدت به راکت نیرو وارد میکند (قانون سوم) و بازیکن باید راکت را محکم بگیرد تا از دستش نرود. در مهندسی خودرو: طراحی ترمزها (غلبه بر لختی حرکت، قانون اول)، محاسبهی نیروی موتور برای شتاب گرفتن (قانون دوم) و بررسی نیروهای بین لاستیک و جاده (قانون سوم) همگی بر پایهی قوانین نیوتن است. حتی در فضانوردی، محاسبهی نیروی پیشران موشکها و مسیر حرکت فضاپیماها کاملاً به این قوانین وابسته است.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر، هیچ تضادی وجود ندارد. نیروهای کنش و واکنش قانون سوم بر دو جسم مختلف وارد میشوند. برای تحلیل حرکت یک جسم (مثلاً توپ)، فقط نیروهای وارد بر همان جسم را در نظر میگیریم. نیروی واکنشی که توپ بر پای شما وارد میکند، در محاسبهی شتاب توپ نقشی ندارد. شتاب توپ فقط از نیروی کنش پای شما بر توپ (و دیگر نیروهای وارد بر توپ مانند وزن) ناشی میشود.
پاسخ: خیر، جرم۸ و وزن۱۲ متفاوتند. جرم مقدار مادهی تشکیلدهندهی جسم و معیار لختی آن است (ثابت است). وزن یک نیرو است؛ نیروی جاذبهای که زمین (یا هر سیارهی دیگر) به جرم جسم وارد میکند. وزن از رابطهی $W = m g$ به دست میآید که در آن $g$ شتاب گرانش است. در ماه که گرانش ضعیفتر است، وزن شما کمتر میشود، اما جرم شما ثابت میماند.
پاسخ: خیر. طبق قانون اول نیوتن، اگر نیروی خالص صفر باشد، جسم یا ساکن میماند یا با سرعت ثابت روی خط راست حرکت میکند (حرکت یکنواخت مستقیمالخط). پس صرفاً ساکن بودن شرط لازم نیست.
پاورقی
۱ Newton's laws of motion – ۲ Sir Isaac Newton – ۳ Classical Mechanics – ۴ Inertia – ۵ Law of Universal Gravitation – ۶ Optics – ۷ Calculus – ۸ Mass – ۹ Acceleration – ۱۰ Net Force – ۱۱ Newton (N) – ۱۲ Weight
