ما هو قانون نيوتن الأول؟ وما هي تطبيقاته العملية؟ رغم شهرة نيوتن الواسعة قد لا يعرف الجميع من هو ذلك العالم العبقري، ولماذا لمع اسمه في كتب التاريخ، وما هي قوانينه، وهل يمكننا تطبيقها في حياتنا اليومية لنستفيد بها أم هي مجرد قوانين نظرية ليس لها أي استخدام نافع في الحياة الواقعية، لذلك ومن خلال موقع زيادة فسنشير إلى ما هو قانون نيوتن الأول، كذلك كل ما يخص ذلك الشأن.
ما هو قانون نيوتن الأول
نسمع جميعا عن قوانين نيوتن، لكننا نجهل عددها وما هي نصوص تلك القوانين، وكيف يمكننا تطبيقها في حياتنا اليومية، وفى سياق الإجابة على تلك التساؤلات سنتحدث عن القانون الأول لنيوتن والذي عرف بأهميته وسنتناول أولا النص الصحيح للقانون وهو كالاتي:
) الجسم الساكن يبقى ساكنًا والجسم المتحرك يبقى متحركًا بسرعة ثابتة وفي خط مستقيم ما لم تؤثر عليه قوة خارجية تغير من حالته (ويعرف القانون الأول لنيوتن باسم قانون القصور الذاتي ويعرف كذلك بالإنجليزية ب The Law of Inertia))
هذا القانون هو واحد من قوانين نيوتن الثلاثة للحركة والتي تعرف بالإنجليزية باسم:
(Newton’s three laws of motion)
يتناول القانون الأول لنيوتن الحديث حول شقين أساسين هما الجسم المتحرك والجسم الساكن، وكذلك تأثر كل منهما بالتعرض لقوة خارجية غير متوازنة ووجود تلك القوة الغير المتوازنة هو شرط أساسي للقانون حيث أنه لا يمكننا تطبيقه بدون وجودها وتسمى تلك القوة في اللغة الإنجليزية ب
. (unbalanced power)
يتحدث نيوتن في الشق الأول من القانون عن الأجسام الساكنة، ويقول إنه إذا كان هناك جسم ساكن فمن المؤكد لنا أن ذلك الجسم سيبقى في نفس حالة السكون هذه إلا في حالة تعرضه لقوة خارجية غير متوازنة، ففي تلك الحالة سيتغير بالطبع من حالة السكون الى حالة الحركة.
كما يتحدث في الشق الثاني أنه إذا كان هناك جسم متحرك وكان ذلك الجسم يتحرك في خط مستقيم وبسرعة محددة وثابتة النسبة فمن المؤكد أن ذلك الجسم سيبقى في نفس حالة الحركة تلك وبنفس تلك السرعة إلا إذا تعرض لقوة من الخارج غير متوازنة وبدأت بالتأثير عليه ففي تلك الحالة يبدأ ذلك الجسم بالتغير في السرعة وطبيعة الحركة.
اقرأ أيضًا: ما هو علم الفيزياء؟ وأثر التجارب الفيزيائية وقوانيه وأهميته
إسحاق نيوتن وقوانينه
مازلنا بصدد حديثنا عن موضوعنا وهو ما هو قانون نيوتن الأول؟ حيث نعلم جميعنا قصة التفاحة التي سقطت على رأس نيوتن أثناء جلوسه أسفل الشجرة، وتلك الحادثة التي تتكرر دائمًا وأبدًا جعلته ينتج ثلاثة قوانين هامة جدًا عرفوا بقوانين نيوتن للحركة، وتدرس تلك القوانين في الكتب الخاصة بالفيزياء في المدارس والجامعات ومنها القانون الأول لنيوتن والذي هو موضوع مقالتنا اليوم.
في سنة 1666 قام العالم إسحاق نيوتن بكتابة قوانينه التي تختص بالجاذبية الأرضية وكان حينها في عامه الثاني والثلاثون فقط.
بعد عشرون عاما ألف كتابه الشهير في علم الفيزياء والمعروف ب (الأصول الرياضية للفلسفة الطبيعية) والذي تحدث فيه باستفاضة عن القوانين الثلاثة للحركة والتي اشتهر بها والتي كانت بمثابة حجر الأساس في مجال الفيزياء الكلاسيكية أو في علم الديناميكا كما يسميه المختصون.
الصيغة الرياضية لقانون نيوتن الأول
بينما نحن بصدد الإجابة عن سؤال ما هو قانون نيوتن الأول؟ سنتناول فيما يلي شكل صيغة قانون نيوتن الأول الرياضية وهي كالتالي:
أولا في حالة السكون فإن قيمة القوة الخارجية التي تؤثر على الجسم = 0
أو قΣ= 0
حيث إن القوة المؤثرة هي ق أو F بالإنجليزية
وبما أن مجموع قيمة القوة المؤثرة =0 إذا الجسم سيبقى في مكانه في حالة السكون
وأن (ع) أوJ =0
(ع) هنا هي سرعة الجسم باستخدام الوحدة: م\ث
(و)J هو الزمن باستخدام الوحدة ث
وهذا يعنى أن الجسم الساكن بقى ساكنا في مكانه
وأن الجسم المتحرك بقي ثابت على نفس سرعته واتجاهه في خلال الزمن
أو بطريقة أخرى نقول:
أن الجسم في حالة السكون تكون سرعته=0 وتسارعه =0
والجسم في حالة الحركة المنتظمة سرعته لا تساوي الصفر (v≠0) لكن ليستمر الجسم في نفس الاتجاه وبنفس السرعة فمعني ذلك أن التسارع =0
اقرأ أيضًا: مكتشف قانون الجاذبية
تطبيقات على قانون نيوتن الأول
مازلنا حول إجابة السؤال ما هو قانون نيوتن الأول، حيث يسأل الكثير من الناس عن إمكانية تطبيق القانون الأول لنيوتن على بعض المواقف التي نتعرض لها في الحياة اليومية، لذلك فنستعرض لكم بعض المواقف التي يطبق عليها، ومنها الآتي:
- في حالة إذا كنت في انتظار لاعب كرة القدم المفضل لديك من أن يقوم بركل الكرة في الضربات الحرة في مباريات كرة القدم فإن أي احتمال من الاحتمالات التي قد تحدث للكرة من ممكن أن نقوم بتطبيق قانون نيوتن الأول عليها.
- فمثلا في حالة الكرة الساكنة على أرض الملعب فيكون مجموع مقادير القوة التي تؤثر عليها =0 إذ أن أرضية الملعب في جهة وقوة الجاذبية في جهة أخرى وبتعادل الكفتان تبقى الكرة ساكنة في مكانها ولو ارتفعت لتصطدم بالحائط سوف ترتد عكس ركلها الأول تأثرا بالقوة الخارجية التي تعرضت لها وهي هنا ذلك الحائط.
- إن القلم الموضوع على سطح ثابت كالمكتب مثلا أو الطاولة سيبقى دائما ثابت وساكن ولن يتحرك أبدًا إلا إذا تعرض لقوة من الخارج تؤثر على حالته، كأن تقوم بأخذه أو تحركه أو حتى توجيه هواء قوة تجاهه.
- كذلك اللوح المخصص للتزحلق سيبقى متحركا بنفس السرعة وبشكل مستقيم إلا إذا تعرض لقوة خارجية كاحتكاكه بصخرة أو مرتفع أو منخفض أرضي.
- إذا قمت بإلقاء كرة ما إلى الأعلى فهي بحسب القانون الأول لنيوتن من المفترض أن تظل في اتجاهها بالارتفاع إلى أعلى وبنفس السرعة ولكن ما يحدث غير ذلك حيث بعد
- لحظات قليلة جدا من ارتفاعها تبدأ بالانخفاض في اتجاه معاكس لرميها نحو الأرض تأثرا بقوة أخرى والتي هي قوة الجاذبية الأرضية.
- السيارة تتحرك إلى اتجاه معين بنفس السرعة ولكن إذا واجهت قوة خارجية كحائط مثلا أو سيارة أخرى اصطدمت بها فسوف تتوقف تماما عن الحركة تأثرًا بتلك القوة الخارجية التي واجهتها.
- كذلك الكوب الموضوع على طاولة ما لن يتحرك من مكانه حتى تتدخل يدك مثلًا كقوة خارجية وتنقله من هنا إلى هناك فتتغير حالته.
- عندما تقام دورة الألعاب الأوليمبية مثلا فنجد أن المتسابقون من العدائين بشكل خاص يتعدوا خط النهاية ببعض الأمتار حتى يتمكنوا من التوقف لأن أجسامنا تقاوم تغيير وضع الحركة التي تقوم بها فيما يشرح معنى لفظ قانون القصور الذاتي.
تطبيق قانون نيوتن على حركة الأجسام في الفضاء
إن الفضاء الخارجي لا يحتوي على أي جاذبية وهذا خير مثال لتطبيق قانون نيوتن الأول عليه حيث لا نجد غالبا أي مؤثرات على حركة أو سكون الأجسام فالجسم المتحرك يظل بنفس اتجاهه وسرعته إلى ما لا نهاية بالطبع إذا لم تؤثر عليه قوة خارجية والتي وجودها يكون نادر جدا في الفضاء الخارجي وبالطبع سمع البعض منكم عن المركبة الفضائية new horizon والتي مازالت تسبح في الفضاء منذ عام 2006 وحتى يومنا هذا.
اقرأ أيضًا: أهمية الرياضيات في حياتنا
ما هي القوة الخارجية؟
بشأن التحدث عما هو قانون نيوتن الأول؟ يخبرنا القانون الأول لنيوتن أن هناك شرط أساسي لتطبيقه وهذا الشرط هو وجود قوة خارجية غير متوازنة يتعرض لها الجسم الساكن أو المتحرك وهذه القوة الخارجية هي التغييرات التي تحدث في الطاقة الميكانيكية سواء كانت تلك القوة كامنة أو متحركة.
إن ثمار شجرة ما لن تسقط أبدا على الأرض لو لم تكن هناك قوة من الخارج تؤثر عليها وهي بالطبع قوة الجاذبية لولا ذلك كانت ستبقى مستقرة في غصن شجرتها دون حراك طبعا لو لم يقوم أحد الأشخاص بقطفها وهي بالطبع قوة خارجية مختلفة أيضا.
كرة القدم أو أي كرة أذا كانت تتدحرج على سطح ناعم ومستوى ستظل تتدحرج بنفس السرعة وفى نفس الاتجاه ما لم تواجه سطحا خشنا وهو القوة الخارجية في ذلك المثال والتي ستغير حالة الكرة من الحركة المنتظمة إلى السكون.
اسئلة على تطبيق قانون نيوتن الأول
استمرارًا في عرض إجابة السؤال ما هو قانون نيوتن الأول فها نحن نعرض بعض الأسئلة التي من شأنها توضيح الإجابة بصورة أكثر بساطة، ومن تلك الأسئلة ما يلي:
- إذا كان هناك جسم وزنه 30 كيلو جرامات موضوع على سطح أفقي في حالة سكون فكيف يمكنك حساب مقدار القوة العمودية التي تؤثر عليه؟
أولا: هذا الجسم ساكن أذا مجموع قيم القوة الخارجية المؤثرة عليه هي ق=0، وذلك حسب القانون الأول لنيوتن.
ثانيا: نحسب الوزن والوزن =الكتلة الجاذبية الأرضية.
أذا: يصبح مجموع الوزن =حوالي 30 نيوتن بالتقريب.
وبما أن أي جسم ثابت فوق سطح أفقي تكون هناك قوة عمودية مؤثرة عليه وكذلك القوة الخاصة بوزن الجسم نفسه لأسفل تؤثر عليه أيضا ونعرف مسبقا أن محصلة كل القوة = 0، إذا القوة العمودية=الوزن=30 نيوتن.
- أذا كان هناك قوة ولنفترض أنها ق1 وقيمتها 5 نيوتن وهي في اتجاه اليمين وقوة أخرى ولنفترض أنها ق2 وهي بنفس الاتجاه وقدرها 4 نيوتن وقوة ثالثة باتجاه اليسار ولنفترض أنها ق3 ونجهل مقدارها. قم بحساب مقدار القوة الأخيرة مع العلم أن مجموع قيم القوى جميعا =0.
أولا: نعرف أن مجموع مقادير القوة جميعا =0، إذا ق1 + ق2 + ق3 =0
إذا يكون مقدار ق3 =9 نيوتن.
هل يمكن تطبيق القانون الأول لنيوتن على حركة الكواكب ودورانها حول الشمس؟
نستطيع الإجابة عن هذا السؤال بلا بالطبع.
فلقد تناولنا ما هو قانون نيوتن الأول؟ حيث إنه سبق الذكر أن هناك شرط أساسي للقانون الأول لنيوتن وهو أن يكون الجسم يسير بسرعة ثابتة وفى خط مستقيم وهو ما لا يتوفر هنا.
حيث إن كل الكواكب تدور في مدارات تسمى بالمدارات الإهليجية حول الشمس وأنها تحتاج الى قوة خارجية في الأصل لجعلها تدور بنفس السرعة ونفس زاوية الدوران حول الشمس.
اقرأ أيضًا: ما هو الثقب الأسود
هل يوجد أي قوة مؤثرة على الجسم إذا كان في حالة سكون؟
بالطبع فالإجابة على ذلك السؤال هي نعم.
يوجد بالتأكيد قوة مؤثرة على الجسم الساكن ولكن ينطبق على تلك القوة المعادلة ق =0
أي أن مجموع قيمة القوة المؤثرة على الجسم الساكن =0 وذلك لأنه من الممكن وجود قوة متضادة أي عكس اتجاهات بعضها تؤثر على الجسم بنفس القوة وبالتالي تكون متوازنة ولا تسبب أي حركة أو تغير للجسم الساكن فيبقى ساكنا نتيجة لذلك.
استخلاصًا مما ذكرناه بينما نحن بصدد الإجابة عما هو قانون نيوتن الأول؟ شرط تطبيق ذلك القانون هو وجود قوة خارجية غير متوازنة يتعرض لها الجسم لتتغير حالته أو سرعته أو اتجاهه.