با سلام و احترام خدمت شما مخاطبین عزیز وبلاگ بین جو (Binjo)، در این مقاله قصد داریم تا با زبانی ساده به مبحث قوانین نیوتن بپردازیم. قوانین نیوتن مبحثی بسیار مهم در کتاب علوم تجربی دوره اول متوسطه پایه نهم و فیزیک دوره متوسطه دوم است.
فهرست مطالب این نوشته
قوانین نیوتن
قوانین نیوتن (نیوتون) شامل سه قانون به شرح ذیل می‌شوند.
قانون اول نیوتن
اگر به جسمی نیرو وارد نشود یا اینکه برآیند نیروهای وارد بر جسم صفر باشد (جسم در تعادل یا توازن) باشد، اگر جسم ساکن بوده، ساکن می‌ماند و اگر با سرعت ثابت در حال حرکت باشد، به حرکت یکنواخت خود بر روی خط راست ادامه می‌دهد (در هر دوی این حالت‌ها شتاب حرکت صفر است)، یعنی جسم تمایل دارد حالت قبلی حرکتی خود را حفظ کند که به این قانون لختی یا اینرسی گویند.
به عنوان مثال وقتی در اتومبیل درحال حرکت، ترمز گرفته شود به سمت جلو حرکت می‌کنیم، یا اینکه وقتی اتومبیل شروع به حرکت می‌کند به سمت عقب کشیده می‌شویم. وقتی به سمت راست می پیچیم، بدن ما به سمت چپ کشیده می‌شود و وقتی به سمت چپ می‌پیچیم، بدن ما به سمت راست کشیده می شود.
در واقع هنگام اعمال نیرو بدن ما به دلیل قانون لختی یا قانون اینرسی تمایل دارد حالت اولیه خودش را حفظ کند. به همین دلیل است که هنگام ترمز اتومبیل، به جلو پرت می‌شویم. چرا که بدن ما تمایل به حفظ حالت اولیه خودش یعنی حرکت به سمت جلو دارد. در حالی که اتومبیل در حالت ترمز گرفتن (نیرویی به سمت عقب است).
در ادامه چند مثال دیگر از قانون اول نیوتن آورده شده است.
مثال
درشکل زیر وزنه ای توسط یک نخ به سقف آویزان است. پایین وزنه نیز نخی بسته شده است. اگر نخ پایین را به آرامی بکشیم، این نیرو فرصت کافی برای اینکه به نخ بالایی منتقل شود را دارد. پس در نهایت نخ بالایی پاره می شود.
شکل (۱) : قانون اول نیوتن – قانون اینرسی یا لختی
اما اگر این اعمال نیرو به نخ پایین به سرعت رخ دهد، فرصت کافی برای انتقال نیرو به نخ بالایی وجود ندارد یعنی به آن نیرویی وارد نشده و جسم تمایل دارد حالت قبلی حرکتی خود را حفظ کند، پس نخ پایین پاره می شود.
مثال
مطابق شکل یک لیوان آب در اختیار داریم. روی این لیوان یک مقوا و روی مقوا یک سکه قرار می دهیم. در این حالت اگر مقوا را به آرامی از روی لیوان بکشیم، فرصت کافی برای انتقال این نیرو به سکه وجود دارد و سکه با مقوا حرکت می کند و درون لیوان نمی افتد. حال اگر این عمل را سریع انجام دهیم، فرصت کافی برای انتقال نیرو به سکه وجود ندارد و به آن نیرویی وارد نمی شود، پس طبق قانون اول نیوتن جسم تمایل دارد حالت قبلی حرکتی خود را حفظ کند یعنی سکه ساکن مانده و درون لیوان آب می افتد.
شکل (۲) : قانون اینرسی یا لختی
مثال دیگری که در استفاده از قانون اول نیوتن وجود دارد، تکاندن قالی است:
برای تکاندن قالی، قالی را آویزان می‌کنند و توسط چوب به آن ضربه‌های سریع وارد می کنند. نیرویی که چوب به قالی وارد می‌کند بسیار سریع بوده و فرصت کافی برای انتقال این نیرو به گرد و غبار نیرویی وارد نشده و طبق قانون اول نیوتن تمایل دارد حالت قبلی حرکتی خود را حفظ کند. قالی حرکت می کند و گرد و غبار می ماند و از قالی جدا می‌شود.
قانون دوم نیوتن
قانون دوم از قوانین نیوتن به همان فرمول معروف \(\overrightarrow{F} = m \overrightarrow{a}\) موسوم است. اگر به جسمی نیرو وارد شود، جسم در جهت نیروی وارد شده شتاب می‌گیرد که اندازه این شتاب با اندازه‌ی نیروی وارد شده رابطه ی مستقیم و با جرم جسم رابطه‌ی عکس دارد:
\(a = \frac{F}{m}\)
شکل (۳) : قانون دوم نیوتن (شتاب حرکت جسم در جهت نیروی برآیند است).
می‌توان گفت که مهم‌ترین بخش قوانین نیوتن، همین رابطه \(\overrightarrow{F} = m \overrightarrow{a}\) است.
تکانه
حاصل ضرب جرم جسم در سرعت آن را تکانه گویند. تکانه کمیتی برداری بوده و آن را با P نمایش می دهند.
\(\overrightarrow{P} = m \times \overrightarrow{v}\)
تغییر تکانه:
\(\Delta \overrightarrow{P} = \overrightarrow{P_{2}} – \overrightarrow{P_{1}} = m \overrightarrow{v_{2}} – m\overrightarrow{v_{1}} = m (\overrightarrow{v_{2}} – \overrightarrow{v_{1}}) = m \Delta \overrightarrow{v}\)
شکل (۴) : سرعت جسم تحت اعمال نیروی برآیند F به جسم افزایش پیدا می‌کند.
در برخی از حرکتها نیروی وارد بر جسم ثابت نیست و با گذشت زمان تغییر می‌کند. در این حالت باید متوسط نیروی وارد بر جسم را بررسی کرد:
\(\overline{F} = m \overline{a} = m \frac{\Delta v}{\Delta t} = \frac{m \Delta v}{\Delta t} = \frac{\Delta P}{\Delta t}\)
رابطه فوق نشان می‌دهد که نیروی متوسط وارد بر جسم برابر است با آهنگ تغییرات تکانه.
با توجه به رابطه \(\overline{F} = \frac{\Delta P}{\Delta t}\)، می‌توان نتیجه گرفت که در نمودار تکانه برحسب زمان، شیب نمودار (تغییرات عمودی تقسیم بر تغییرات افقی) نشان دهنده‌ی نیروی متوسط وارد بر جسم است.
\(Line \ Slope = \frac{P_{2} – P_{1}}{t_{1} – t_{2}} = \frac{\Delta P}{\Delta t} = \overline{F}\)
حال اگر رابطه بالا را طرفین وسطین کنیم، نتیجه می‌شود:
\(\Delta P = \overline{F} \Delta t\)
از این رابطه می‌توان نتیجه گرفت که در نمودار نیرو بر حسب زمان، مساحت محصور بین نمودار و محور زمان (t)، نشان دهنده ی تغییرات تکانه است.
شکل (۵)
تکانه و انرژی جبنشی
می‌دانیم که رابطه انرژی جبنشی یک جسم به صورت زیر است. از طرفی برای تکانه نیز داریم:
\(K = \frac{1}{2} m v^2\)
\(P = mv\)
پس به راحتی می‌توان تکانه را در فرمول انرژی جبنشی ایجاد کرد. با ضرب جرم m هم در صورت و هم در مخرج رابطه انرژی جبنشی و استفاده از رابطه تکانه داریم:
\(K = \frac{P^{2}}{2m}\)
قانون سوم نیوتن
قانون آخر از قوانین نیوتن به کنش و واکنش موسوم است. اگر جسمی به جسم دوم نیرویی وارد کند، جسم دوم هم به جسم اول نیرویی هم اندازه و در خلاف جهت وارد می کند که این نیروها را کنش و واکنش یا عمل و عکس العمل می‌گویند.
باید توجه داشت که این نیروها بر دو جسم متفاوت وارد می‌شوند و در نتیجه نیروی برآیند برای آن‌ها تعریف نمی‌شود. یعنی نیروی کنش و نیروی واکنش (عمل و عکس العمل) با یکدیگرخنثی نمی‌شوند.
شکل (۶) : نیروی عمل و عکس العمل یکدیگر را خنثی نمی‌کنند.
توجه: برای آن که دو جسم به هم نیرو کنند، ایجاد تماس الزامی نیست. به عنوان مثال نیرویی که دو بار الکتریکی یا دو قطب مغناطیس به یکدیگر وارد می‌کنند، بدون ایجاد تماس وارد می‌شود.
شکل (۷) : اعمال نیرو به دو جسم به واسطه میدان مغناطیسی (بدون تماس)
شکل (۸) : نیروی دافعه بین دو ذره باردار (کنش و واکنش)
امیدواریم تا مقاله قوانین نیوتن مورد پسند شما عزیزان واقع شده باشد. در انتها پیشنهاد می‌کنیم تا نگاهی بر مقالات زیر نیز داشته باشید.
انرژی پتانسیل الکتریکی – فیزیک یازدهم (۲)
پایستگی انرژی مکانیکی – فیزیک دهم (۱)
کار نیروی ثابت – فیزیک دهم (۱)
قضیه کار و انرژی – فیزیک دهم (۱)
دیدگاهتان را بنویسید