قانون نيوتن الأول : نص القانون، الشرح، أمثلة، والتطبيقات

قوانين نيوتن للحركة هي ثلاثة قوانين فيزيائية تُأسس علم حركة الأجسام ، وتربط هذه القوانين القوى المؤثرة على الجسم بحركته. تعتبر هذه القوانيين هام للغاية لأنها أساس الميكانيكا الكلاسيكية، أحد الفروع الرئيسية للفيزياء. إسحاق نيوتن هو من وضع هذه القوانين، وقد استخدم هذه القوانين في تفسير العديد من الأنظمة والظواهر الفيزيائية. أي يمكننا القول أن قوانين نيوتن لها دور كبير في تفسير معظم الظواهر والأشياء التي نراها في حياتنا اليومية.

في هذه المقالة سنناقش  كل ما يتعلق بقانون نيوتن الأول للحركة مثل شرح القانون وتفسيره والتعبير الرياضي لها وكذلك أهم أمثلته وتطبيقاته المختلفة في حياتنا اليومية.

العظيم إسحاق نيوتن

إذا كنا سنتحدث عن الميكانيكا الكلاسيكية و قوانين نيوتن الثلاث للحركة، فلابد وأن نلقي الضوء أولًا على واضع هذه القوانين وصاحب الفضل في خروجها إلينا، السير اسحاق نيوتن. واليكم الان بعض الحقائق السريعة عن إسحاق نيوتن 

حقائق عن السير اسحاق نيوتن

 نشر إسحاق نيوتن قوانينه الخاصة بالحركة لأول مره  في كتابه “الأصول الرياضية للفلسفة الطبيعية” Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica في عام  1687 والذي يعد أساس الميكانيكا الكلاسيكية. استعمل نيوتن هذه القوانين ليُفسر ويتحرى كثير من الظواهر الفيزيائية، أظهر نيوتن أن هذه القوانين بالإضافة لقانون الجذب العام قادرة على تفسير قوانين كيبلر لحركة الكواكب و لازالت هذه القوانين من أهم القوانين الفيزيائية حتى الآن.

لمزيد من المعلومات حول السير إسحاق نيوتن وقوانين الحركة الأخرى، قم بزيارة مدونتنا قوانين نيوتن وتطبيقاتها المختلفة في حياتنا 

نص قانون نيوتن الأول

والان سنعرف ما هو قانون نيوتن الاول، الذي ينص على

الجسم الساكن يبقى ساكناً، و الجسم المتحرّك يبقى متحركاً، مالم تؤثر عليه قوى ما

شرح قانون نيوتن الأول

هذا يعني أن الحركة لا يمكن أن تتغير أو تنقص بدون تأثير قوة غير متوازنة. إذا لم يحدث لك شيء ولم يحدث شيء، فلن تذهب إلى أي مكان أبدًا. إذا كنت تسير في اتجاه معين -ما لم يحدث لك شيء ما- فستذهب دائمًا في هذا الاتجاه إلى الأبد.

أي أن إذا كانت القوة المحصلة (المجموع الاتجاهي للقوى المؤثرة على الجسم) تساوي صفر، فإن سرعة الجسم تكون ثابتة ) يُطبق قانون نيوتن الأول عندما تكون القوة المُحصلة المؤثرة على الجسم تساوي صفر)

تعتبر السرعة كمية متجهة حيث يتم التعبير عنها مقداراً (وهي سرعة الجسم) واتجاهاً (وهو اتجاه حركة الجسم). عندما نقول أن سرعة الجسم ثابتة فإننا نعني أن كلا من المقدار والاتجاه ثابتين.

والان سنعرض لك مثال جيد للتوضيح، عندما ترى فيديو لرواد الفضاء. هل سبق لك أن لاحظت أن أدواتهم تطفو؟ يمكنهم فقط وضعها في الفضاء ويبقون في مكان واحد. حيث لا توجد قوة تدخل لتغيير هذا الوضع. وينطبق الشيء نفسه عندما يرمون أشياء للكاميرا، هذه الأشياء تتحرك في خط مستقيم. بمعنى انهم إذا ألقوا شيئًا ما أثناء السير في الفضاء، فسيستمر هذا الجسم في التحرك في نفس الاتجاه وبنفس السرعة ما لم يتم التدخل فيه.

معادلة قانون نيوتن الأول

يمكن التعبير رياضيًا عن قانون نيوتن الأول كالأتي:

معادلة قانون نيوتن الأول

حيث أن :

V هي سرعة الجسم

t هو الزمن

F هي القوة 

هذا يعني أن يمكننا القول أن الجسم الساكن سيظل ساكن ما لم تؤثر عليه قوى خارجية، و الجسم المتحرك لا تتغير سرعته طالما لم تؤثر عليه قوة خارجية.

القصور الذاتي

القصور الذاتي لنيوتن

يسمى قانون نيوتن الاول بقانون القصور الذاتي، و يعد مبدأ القصور الذاتي أحد المبادئ الأساسية في الفيزياء الكلاسيكية التي لا تزال تستخدم حتى اليوم لوصف حركة الأشياء وكيف تتأثر بالقوى المطبقة عليها.

القصور الذاتي هو مقاومة أي جسم مادي لأي تغيير في سرعته. يتضمن ذلك التغييرات في سرعة الكائن أو اتجاه حركته. أحد جوانب هذه الخاصية هو ميل الأشياء إلى الاستمرار في التحرك في خط مستقيم بسرعة ثابتة، عندما لا تؤثر عليها قوى.

 عرّف إسحاق نيوتن القصور الذاتي على أنه :

(القوة الجوهرية للمادة هي قوة المقاومة التي يسعى من خلالها كل جسم بقدر ما يكمن فيه، إلى الحفاظ على حالته الحالية، سواء كان ذلك في حالة سكون أو التحرك بشكل موحد للأمام في خط مستقيم)

و قد يشار الى مصطلح القصور الذاتي ب “مقدار مقاومة الجسم للتغيير في السرعة”  أو “مقاومة التغير في الحركة” 

يُمكن تلخيص ما سبق من خلال الشكل التوضيحي التالي:

شكل توضيحي لقانون نيوتن الاول

أنواع القصور الذاتي

  • القصور الذاتي للراحة أو السكون

  يبقى الشيء في مكانه، وسيبقى هكذا حتى تحركه أنت أو أي شيء آخر.

  • القصور الذاتي للحركة

  سيستمر الجسم بنفس السرعة حتى تؤثر عليه قوة.

  • القصور الذاتي للاتجاه

سيظل الجسم يتحرك في نفس الاتجاه ما لم تؤثر عليه قوة.

العلاقة بين كتلة الجسم و القصور الذاتي

كرة بولينج كرة تنس طاولة

 اذا تخيلنا أن هناك كرتين ساكنتين؛ إحداهما كرة تنس طاولة كتلتها ٣ جرامات،والأخرى كرة بولينج كتلتها ٨ كيلوجرامات.إذا كان عليك دحرجة الكرتين بعيدًا عنك، فسيكون من الأصعب بكثير دحرجة كرة البولينج عن دحرجة كرة تنس الطاولة. بعبارة أخرى، القوة اللازمة لبدء حركة كرة البولينج أكبر من القوة اللازمة لبدء حركة كرة تنس الطاولة.

هذا لأن كرة البولينج تحاول الحفاظ على حالتها الحالية من السكون بدرجة أكبر من كرة تنس الطاولة. أي أن لها قصور ذاتي أكبر، وهذا لأن لها كتلة أكبر.

 يمكننا القول أنه كلما زادت كتلة الجسم، زادت القوة اللازمة لبدء حركته من السكون. بعبارة أخرى، كلما زادت كتلة الجسم، زاد قصوره الذاتي.

 

أهم العوامل التى تؤثر على القصور الذاتي 

‌كتلة الجسم
فكما وضحنا سابقًا، كلما زادت كتلة الجسم، زادت القوة اللازمة لبدء حركته من السكون. بعبارة أخرى، كلما زادت كتلة الجسم، زاد قصوره الذاتي.

‌حالة الجسم أو وضعه
فنجد أن مقدار القوة المستخدمة لإكساب جسم سرعة معينة يختلف باختلاف وضعه قبل استخدام القوة فإذا كان الجسم المراد تحريكه ثابتاً وأردنا إكسابه سرعة معينة فنحتاج إلى قدر من القوة تختلف في حالة حركته وإكسابه السرعة نفسها ، أي أن القوة تكون أقل من الحالة الثانية.

 طبيعة الأرض أو السطح الذي تتم عليه الحركة 
التأثير على جسم بكتلة معينة من وضع الثبات إذا كان السطح أملس يختلف عن اذا كان السطح خشنًا أو غير مستوي، فإن مقدار القوة للتغلب على القصور الذاتي يكون أكبر عندما يكون السطح خشناً أو غير مستوي.

 قاعدة الارتكاز واتجاهها
فعند تحريك كتلة الرياضي وهو على قاعدة ارتكاز كبيرة نحتاج إلى قوة كبيرة وخاصة في فعاليات المصارعة ورفع الأثقال للتقليل من تأثير القوة التي يستخدمها الخصم. و أيضًا في الملاكمة، وقفة الأستعداد تكتسب أهمية كبيرة لمنع سقوط اللاعب بسهوله، حيث ان القاعدة الواسعة والمتوازنة للجسم تمنع خروج مركز ثقله خارج قاعدة الارتكاز وتحدد زاوية سقوطه.

لمزيد من الفهم، يُمكنك تجربة معامل براكسيلابس الافتراضية في الفيزياء الكلاسيكية. فقط كل ما عليك فعله هو انشاء حساب مجاني 

أمثلة على قانون نيوتن الأول (القصور الذاتي)

أمثلة على قانون نيوتن الأول (القصور الذاتي)

  • تستمر المروحة الكهربائية في التحرك لفترة بعد انقطاع التيار الكهربائي.
  • الميل للوراء عندما تبدأ الحافلة المتوقفة في التحرك.
  •  إذا تم وضع بطاقة فوق كوب زجاجي مع وجود عملة معدنية فوقه، فيمكن إزالة البطاقة بسرعة بينما تسقط العملة المعدنية  في الكوب مباشرة، حيث تظهر العملة في هذه الحالة ما يعرف بالقصور الذاتي.
  •   إذا كانت الكرة على سطح مائل وتركتها، فإن الجاذبية ستجعلها تتدحرج إلى أسفل المنحدر، وهذا يعني ان لديها قصور ذاتي ، وإذا كانت هناك منطقة مستوية أسفل المنحدر، فسوف تستمر في الحركة.
  •   إذا كنت في قطار وكان القطار يتحرك بسرعة ثابتة، فإذا تم القاء لعبة في الهواء سترتفع بشكل مستقيم ثم تنزل. وهذا لأن اللعبة لديها قصور الذاتي مثل القطار وأنت.
  • إذا قفزت من سيارة أو حافلة تتحرك، فإن جسمك لا يزال يتحرك في اتجاه السيارة. عندما تصطدم قدميك بالأرض، ستؤثر الأرض على قدميك وتتوقف عن الحركة ولكن سوف تسقط لأن الجزء العلوي من جسمك لم يتوقف، وستسقط في الاتجاه الذي كنت تتحرك فيه.
  • استخدام أحزمة الأمان، لمواجهة هذا الميل للبقاء في الحركة. يطبق حزام الأمان قوة على الشخص ليمنعه من الطيران خارج السيارة. والأفضل من أحزمة الأمان هي الأكياس الهوائية أو الوسائد الهوائية للسيارات والتي تطبق قوة أقل على الشخص ولكن على مساحة أكبر من حزام الأمان ، لذا فهي تحمي الشخص في مناطق أكثر.

أمثلة على قانون نيوتن الأول للحركة في حياتنا اليومية

أمثلة على قانون نيوتن الأول للحركة في حياتنا اليومية

في حياتنا اليومية يمكن تفسير حدوث الأشياء حولنا طبقًا لقانون نيوتن الأول، على سبيل المثال:

  • الكتاب على المنضدة يظل موضوعًا في مكانه ما لم يتم إزاحته.
  • يندفع الدم من رأسك إلى قدميك بينما يتوقف سريعًا عند ركوب المصعد النازل.
  • يمكن شد رأس المطرقة على المقبض الخشبي عن طريق ضرب الجزء السفلي من المقبض على سطح صلب.
  • أثناء ركوب لوح تزلج (أو عربة أو دراجة) ، فإنك تطير إلى الأمام بعيدًا عن اللوح عندما تصطدم برصيف أو صخرة أو أي شيء آخر يوقف حركة لوح التزلج فجأة.
  • تغيير حركة الطائرة الورقية بحسب التغيرات الجوية.

كيف يتم استخدام قانون نيوتن الأول في الحياة اليومية؟

لفهم كيف يتم تطبيق او استخدام القانون، سنشرح المثالين التاليين بشئ من التفصيل:

1- القفز بمظلة من طائرة

القفز بمظلة من طائرة

اذا فكرنا في الشخص الذي يقفز من طائرة تسافر أفقيًا. السرعة الرأسية الأولية للشخص هي صفر. ومع ذلك، سيتم التصرف بناءً عليه على الفور من خلال تأثير وزنه عموديًا لأسفل، وبما أن القوة الناتجة الخارجية ليست صفرًا، فسوف يتسارع لأسفل. مع زيادة سرعة الشخص تزداد مقاومة الهواء. هذا يقاوم القوة الهابطة لوزنه ويعني أنه لن تزداد سرعته إلى ما لا نهاية.

وفي النهاية ستزداد مقاومة الهواء حتى تساوي وزنه. عند هذه النقطة ستكون القوة الناتجة على الشخص صفراً وسيتوقف عن التسارع و بدلاً من ذلك، سيستمر في السقوط بسرعة ثابتة أو نهائية. عندما يسحب الرجل الحبل ويتم فتح المظلة، تزداد مقاومة الهواء فجأة بحيث تكون أكبر من وزنه. القوة الناتجة تصاعدية مما يعني أن الشخص سيبدأ في التباطؤ. سيستمر هذا مع انخفاض مقاومة الهواء حتى تتساوى القوى مرة أخرى وتكون سرعة السقوط ثابتة.

2- سيارة متوقفة على تل

سيارة متوقفة على تل

بالنسبة لسيارة متوقفة على تل، فإن القوى الثلاث (الاحتكاك والوزن وقوة رد الفعل العادية) محصلتها تساوي صفر. يعمل الاحتكاك على موازنة عنصر الوزن أسفل المنحدر. إذا تحركت المركبة بسرعة ثابتة، يجب أن تكون القوة الدافعة وقوى المقاومة (مقاومة الهواء والاحتكاك) متساوية في الحجم ومعاكسة في الاتجاه.

 تطبيق قانون نيوتن الأول في الفضاء

قوانين نيوتن تظهر بشكل واضح في الفضاء، فلا وجود لقوى الجاذبية أو قوى الاحتكاك هناك. ولذلك الجسم في الفضاء إذا ما اكتسب سرعة، فإنه يبقى متحركًا باتجاه ثابت دون أن يتوقف، مالم يصدم جسمًا آخر أو أثّرت عليه قوى الجذب لجرم آخر. وهذا ما يساعد المَركبات الفضائية على السفر بالفضاء بدون الحاجة إلى وقودٍ مستمرٍ، فالسرعة التي اكتسبتها المركبة أثناء الإطلاق، ستحافظ عليها بعد أن تهرُب من جاذبية الأرض، بالإضافة إلى جاذبية الكواكب التي قد تمر بها.

 

مثال على ذلك:

الصواريخ التي تسافر عبر الفضاء . قبل إطلاقه، يكون الصاروخ على سطح الأرض في حالة سكون. وسوف يبقى في حالة سكون إلى أجل غير مسمى إن لم تؤثر فيه أي قوة خارجية. وعندما يكون الصاروخ في الفضاء بدون أي قوى خارجية مؤثرة فيه، حيث يسافر في خط مستقيم بسرعة ثابتة إلى الأبد.

 

 

 

 تطبيقات قانون نيوتن الأول 

  • الوسائد الهوائية الخاصة بالسيارات

الوسادة الهوائية في السيارات 

 وظيفة الوسادة هي الانتفاخ عند وقوع حادث ومنع ارتطام رأس السائق بالزجاج الأمامي. عندما تتعرض سيارة فيها وسادة هوائية لحادث، فإن التباطؤ الفجائي في سرعتها يؤدي إلى تشغيل مفتاح كهربائي، وذلك يعمل على بدء تفاعل كيميائي تنتج منه مادة غازية تعمل على ملئ الوسادة وحماية رأس السائق.

  • كرة البيسبول في حالة راحة

تحتاج الكرة إلى قوة خارجية للتحرك أو رميها أو ضربها ، وتعتمد المسافة التي تقطعها الكرة على مقدار القوة التي تؤثر عليها.

  • حركة كرة تسقط في الغلاف الجوي أو إطلاق صاروخ نموذجي في الغلاف الجوي.
  •  انطلاق صاروخ من منصة الإطلاق.قوانين نيوتن وتطبيقاتها- انطلاق الصواريخ

 قبل اشتعال المحرك مباشرة، كانت سرعة الصاروخ صفرًا والصاروخ في حالة سكون. إذا كان الصاروخ جالسًا على قاعدته، فإن وزن الصاروخ يتوازن من خلال تفاعل الأرض مع الوزن. لا توجد قوة محصلة على الجسم ، وسيظل الصاروخ في وضع السكون إلى أجل غير مسمى.

وعند اشتعال المحرك ، تولد قوة دفع المحرك قوة إضافية معاكسة للوزن. عندما يكون الدفع أكبر من الوزن ، توجد قوة محصلة خارجية تساوي الدفع مطروحًا منه الوزن ، ويبدأ الصاروخ في الارتفاع. تزداد سرعة الصاروخ من صفر إلى بعض القيم الموجبة في ظل التسارع الناتج عن محصلة القوة الخارجية.

  •  طائرة ورقية تطير في الهواء

 تشمل القوى المؤثرة على الطائرة الورقية أثناء الطيران الوزن، والرفع الديناميكي الهوائي ، والسحب، والتوتر في خط التحكم. في حالة الطيران المستقر ، تكون جميع هذه القوى متوازنة والطائرة الورقية لها ارتفاع ثابت.

فيديو توضيحي لقانون نيوتن الأول 

معامل براكسيلابس الافتراضية في الفيزياء الميكانيكية

السقوط الحر - معامل الفيزياء براكسيلابس

تقدم براكسيلابس معامل العلوم الافتراضية التي تمكنك من إجراء العديد من التجارب المعملية في الفيزياء والكيمياء والبيولوجيا عبر الانترنت في أي وقت وأي مكان

انشئ حسابك مجاني  وجرب الآن المعامل الافتراضية الخاصة بالفيزياء الميكانيكية التي توضح قوانين نيوتن وتطبيقاتها المختلفة في حياتنا.

 

 

عن نورهان عصام

نورهان عصام

شاهد أيضاً

قوانين نيوتن وتطبيقاتها المختلفة في حياتنا

قوانين نيوتن وتطبيقاتها المختلفة في حياتنا 

  كيف تتحرك الأشياء وكيف تظل ثابتة ؟ كيف تعمل الوسائد الهوائية في السيارات؟ كيف …