الدرس ٢: قوانين نيوتن للحركة

يقوم الدرس على فهم القوى وكيف تؤثر على حركة الأجسام من خلال قوانين نيوتن الثلاثة. يوضح القانون الأول أن الجسم الساكن يبقى ساكنا والمتحرك يبقى متحركا في خط مستقيم ما لم تؤثر فيه قوة محصلة، مثل قوة الاحتكاك التي تبطئ الأجسام. ويبين القانون الثاني أن تسارع الجسم يعتمد على القوة المحصلة المؤثرة فيه وكتلته، ويُحسب بمعادلة رياضية محددة. أما القانون الثالث فيقرر أن لكل قوة فعل قوة رد فعل مساوية لها في المقدار ومعاكسة لها في الاتجاه، مثل انطلاق الصواريخ وتأثير قوى الشد والنابض. كمثال، لو دفعت صندوقا بقوة أكبر من قوة الاحتكاك فإنه يتسارع في اتجاه القوة المحصلة.

الفكرة الأساسية

تعتمد حركة الأجسام وسكونها على القوى المؤثرة فيها. عندما تدفع كراسا على الطاولة أو تركل كرة، فإنك تطبق قوة تؤدي إلى تغيير حالتها الحركية. تُجمع القوى المؤثرة في الجسم لتشكيل قوة محصلة تحدد اتجاه التسارع والتغير في الحركة.

الشرح

تنقسم القوى إلى متنزنة وغير متنزنة. القوى المتزنة لا تحدث تغييرا في حركة الجسم لأنها تلغي بعضها، بينما القوى غير المتزنة تغير حركة الجسم. يحكم هذه العمليات ثلاثة قوانين:

• القانون الأول لنيوتن: يبقى الجسم الساكن ساكنا والمتحرك متحركا بسرعة ثابتة في خط مستقيم ما لم تؤثر فيه قوة محصلة. الاحتكاك قوة تنشأ بين السطوح المتلامسة وتقاوم الحركة لتُبطئ الأجسام. والقصور الذاتي هو ميل الجسم إلى مقاومة إحداث تغيير في حركته، وهو يتناسب طرديا مع الكتلة.
• القانون الثاني لنيوتن: إذا أثرت قوة محصلة في جسم ما، فإن تسارع هذا الجسم يكون في اتجاه تلك القوة، ويساوي ناتج قسمة القوة المحصلة على كتلة الجسم. معادلة التسارع هي: التسارع = القوة المحصلة / الكتلة.
• القانون الثالث لنيوتن: عندما يؤثر جسم في جسم آخر فإن الجسم الآخر يؤثر في الجسم الأول بقوة مساوية لها في المقدار ومعاكسة لها في الاتجاه، وتسمى بقوة الفعل ورد الفعل. تظهر هذه القوانين أيضا في قوى الشد عبر الحبال وقوى الشد والانضغاط في النابض الذي يختزن طاقة كامنة مرونية.

مثال محلول خطوة بخطوة

مسألة: تسارع كرة سلة إذا أثرت قوة مقدارها 10 نيوتن في كرة سلة كتلتها 0.5 كجم فما تسارع الكرة؟

1. المعطيات:

• الكتلة (ك) = 0.5 كجم
• القوة المحصلة (ق_م) = 10 نيوتن

2. المطلوب:

• التسارع (ت) =؟ م / ث^2

3. طريقة الحل: نعوض بقيم الكميات المعلومة في معادلة التسارع: ت = ق_م / ك = 10 نيوتن / 0.5 كجم = 20 م / ث^2
4. التحقق من الحل: اضرب الجواب في كتلة الكرة (20 × 0.5 = 10) وتحصل على القوة المعطاة.

أخطاء شائعة

• الاعتقاد الخاطئ بأن الجسم يحتاج إلى قوة مستمرة لكي يستمر في حركته بسرعة ثابتة، والصحيح أن القوة المستمرة تلزم فقط للتغلب على الاحتكاك أو لتغيير السرعة.
• الخلط بين الكتلة والوزن، أو الاعتقاد بأن قوى الفعل ورد الفعل تلغي إحداهما الأخرى رغم تأثيرهما في جسمين مختلفين.

سؤالان للتدريب مع الإجابة

السؤال الأول: إذا دفعت صندوقا كتلته 20 كجم بقوة 40 نيوتن فما تسارع الصندوق؟ الإجابة: التسارع = القوة / الكتلة = 40 نيوتن / 20 كجم = 2 م / ث^2. السؤال الثاني: استنتج إذا كانت سيارة تتحرك بسرعة ثابتة المقدار، فهل يلزم أن تكون واقعة تحت تأثير قوى متزنة؟ الإجابة: نعم، لأن بقاء السرعة ثابتة وعدم وجود تسارع يعني أن القوة المحصلة المؤثرة فيها تساوي صفرا، أي أن القوى المؤثرة متزنة.