قانون نيوتن الأول: الصيغ والتجارب والتمارين - جسدي - بدني - 2026

و أول قانون نيوتن اقترح، المعروف أيضا باسم قانون القصور الذاتي، أولا عن طريق إسحاق نيوتن، عالم الفيزياء، الرياضيات، الفيلسوف، لاهوتية، مخترع اللغة الإنجليزية والكيميائي. ينص هذا القانون على ما يلي: "إذا لم يتعرض الجسم لأي قوة ، أو إذا ألغت القوى المؤثرة عليه بعضها البعض ، فسيستمر في التحرك بسرعة ثابتة في خط مستقيم".

في هذا البيان ، ستستمر الكلمة الرئيسية. إذا تم استيفاء مقدمات القانون ، فسيستمر الكائن في حركته كما كان. ما لم تظهر قوة غير متوازنة وتغير حالة الحركة.

شرح قانون نيوتن الأول. المصدر: عصامي.

هذا يعني أنه إذا كان الكائن في حالة سكون ، فسيستمر في الراحة ، إلا إذا أخرجته قوة من تلك الحالة. هذا يعني أيضًا أنه إذا كان جسم ما يتحرك بسرعة ثابتة في اتجاه مستقيم ، فسيستمر في التحرك بهذه الطريقة. سيتغير فقط عندما يمارس عامل خارجي قوة عليه ويغير سرعته.

خلفية القانون

ولد إسحاق نيوتن في Woolsthorpe Manor (المملكة المتحدة) في 4 يناير 1643 وتوفي في لندن عام 1727.

التاريخ الدقيق الذي اكتشف فيه السير إسحاق نيوتن قوانينه الثلاثة للديناميكيات ، بما في ذلك القانون الأول ، غير معروف على وجه اليقين. لكن من المعروف أنه مضى وقت طويل قبل نشر الكتاب الشهير "المبادئ الرياضية للفلسفة الطبيعية" في 5 يوليو 1687.

يعرف قاموس الأكاديمية الملكية الإسبانية كلمة القصور الذاتي على النحو التالي:

"ممتلكات الجثث للحفاظ على حالة الراحة أو الحركة إذا لم يكن من خلال عمل القوة".

يستخدم هذا المصطلح أيضًا للتأكيد على أن أي موقف يظل دون تغيير لأنه لم يتم بذل أي جهد لتحقيقه ، وبالتالي فإن كلمة القصور الذاتي في بعض الأحيان لها دلالة على الروتين أو الكسل.

وجهة نظر ما قبل نيوتن

قبل نيوتن ، كانت الأفكار السائدة هي أفكار الفيلسوف اليوناني العظيم أرسطو ، الذي أكد أنه لكي يظل الجسم في حالة حركة ، يجب أن تعمل القوة عليه. عندما تتوقف القوة ، فإن الحركة كذلك. ليس الأمر كذلك ، ولكن حتى اليوم يعتقد الكثيرون ذلك.

جاليليو جاليلي ، عالم فلك وعالم فيزيائي إيطالي لامع عاش بين عامي 1564 و 1642 ، قام بتجربة وتحليل حركة الأجسام.

كانت إحدى ملاحظات جاليليو هي أن الجسم الذي ينزلق على سطح أملس ومصقول بدفعة أولية معينة ، يستغرق وقتًا أطول للتوقف ولديه مسافة أطول في خط مستقيم ، حيث يكون الاحتكاك بين الجسم والسطح أقل.

من الواضح أن جاليليو تعامل مع فكرة القصور الذاتي ، لكنه لم يأت لصياغة بيان دقيق مثل نيوتن.

نقترح أدناه بعض التجارب البسيطة التي يمكن للقارئ تنفيذها وتأكيد النتائج. سيتم أيضًا تحليل الملاحظات وفقًا لوجهة نظر أرسطو للحركة ووجهة نظر نيوتن.

تجارب القصور الذاتي

التجربة 1

يتم دفع صندوق على الأرض ثم يتم تعليق القوة الدافعة. نلاحظ أن الصندوق يسير في مسار قصير حتى يتوقف.

دعونا نفسر التجربة السابقة ونتائجها في إطار النظريات قبل نيوتن ثم حسب القانون الأول.

في الرؤية الأرسطية ، كان التفسير واضحًا جدًا: توقف الصندوق لأن القوة التي حركته كانت معلقة.

في الرؤية النيوتونية ، لا يمكن للصندوق الموجود على الأرض / الأرض الاستمرار في التحرك بالسرعة التي كانت عليه في الوقت الحالي ، حيث تم تعليق القوة ، لأن هناك قوة غير متوازنة بين الأرضية والصندوق ، مما يؤدي إلى انخفاض السرعة حتى توقف الصندوق. إنها قوة الاحتكاك.

في هذه التجربة ، لم يتم استيفاء مبادئ قانون نيوتن الأول ، لذا توقف الصندوق.

التجربة 2

مرة أخرى هو الصندوق الموجود على الأرض / الأرض. في هذه الفرصة ، يتم الحفاظ على القوة الموجودة على الصندوق ، بطريقة تعوض أو توازن قوة الاحتكاك. يحدث هذا عندما نجعل الصندوق يتبعه بسرعة ثابتة وفي اتجاه مستقيم.

لا تتعارض هذه التجربة مع وجهة نظر أرسطو للحركة: يتحرك الصندوق بسرعة ثابتة بسبب تأثير قوة عليه.

كما أنه لا يتعارض مع نهج نيوتن ، لأن جميع القوى المؤثرة في الصندوق متوازنة. دعنا نرى:

• في الاتجاه الأفقي ، القوة المؤثرة على الصندوق متساوية وفي الاتجاه المعاكس لقوة الاحتكاك بين الصندوق والأرض.
• إذن القوة الكلية في الاتجاه الأفقي تساوي صفرًا ، ولهذا السبب يحافظ الصندوق على سرعته واتجاهه.

أيضًا في الاتجاه الرأسي ، تكون القوى متوازنة ، لأن وزن الصندوق الذي هو قوة موجهة عموديًا لأسفل يتم تعويضها تمامًا بواسطة قوة التلامس (أو العادية) التي تمارسها الأرض على الصندوق عموديًا لأعلى.

بالمناسبة ، وزن الصندوق ناتج عن قوة جاذبية الأرض.

التجربة 3

نواصل مع الصندوق يستريح على الأرض. في الاتجاه الرأسي ، تكون القوى متوازنة ، أي القوة الرأسية الصافية هي صفر. سيكون من المفاجئ بالتأكيد إذا تحرك الصندوق لأعلى. لكن في الاتجاه الأفقي توجد قوة احتكاك.

الآن ، لكي تتحقق فرضية أول قانون لنيوتن ، نحتاج إلى تقليل الاحتكاك إلى الحد الأدنى من التعبير عنه. يمكن تحقيق ذلك تقريبًا إلى حد ما إذا بحثنا عن سطح أملس للغاية نرش عليه زيت السيليكون.

نظرًا لأن زيت السيليكون يقلل الاحتكاك إلى الصفر تقريبًا ، لذلك عندما يتم طرح هذا الصندوق أفقيًا ، فإنه سيحافظ على سرعته واتجاهه لفترة طويلة.

إنها نفس الظاهرة التي تحدث مع متزلج على حلبة للتزلج على الجليد ، أو مع قرص هوكي الجليد عندما يتم دفعها وإطلاقها بمفردها.

في المواقف الموصوفة ، والتي يتم فيها تقليل الاحتكاك إلى الصفر تقريبًا ، تكون القوة الناتجة عمليا صفرًا ويحافظ الجسم على سرعته ، وفقًا لقانون نيوتن الأول.

من وجهة النظر الأرسطية ، لا يمكن أن يحدث هذا ، لأنه وفقًا لهذه النظرية الساذجة ، تحدث الحركة فقط عندما يكون هناك صافي قوة على الجسم المتحرك.

يمكن اعتبار السطح المتجمد احتكاكًا منخفضًا جدًا. المصدر: Pixabay.

شرح قانون نيوتن الأول

الجمود والكتلة

الكتلة هي كمية مادية تشير إلى كمية المادة التي يحتوي عليها الجسم أو الجسم.

الكتلة إذن هي خاصية جوهرية للمادة. لكن المادة تتكون من ذرات لها كتلة. تتركز كتلة الذرة في النواة. إن البروتونات والنيوترونات في النواة هي التي تحدد عمليا كتلة الذرة والمادة.

تُقاس الكتلة عمومًا بالكيلوجرام (كجم) ، وهي الوحدة الأساسية للنظام الدولي للوحدات (SI).

النموذج الأولي أو مرجع الكيلوغرام هو أسطوانة بلاتينية وإيريديوم محفوظة في المكتب الدولي للأوزان والمقاييس في سيفر بفرنسا ، على الرغم من أنه تم ربطه في عام 2018 بثابت بلانك وأصبح التعريف الجديد ساري المفعول اعتبارًا من 20 مايو 2019.

حسنًا ، يحدث أن الجمود والكتلة مرتبطان. كلما زادت الكتلة ، زاد القصور الذاتي للجسم. من الصعب أو المكلف من حيث الطاقة تغيير حالة حركة جسم أكبر من جسم أقل كتلة.

مثال

على سبيل المثال ، يتطلب الأمر قدرًا أكبر بكثير من القوة ومجهودًا أكبر لرفع صندوق يزن طنًا واحدًا (1000 كجم) من السكون أكثر من صندوق واحد كجم (1 كجم). هذا هو السبب في كثير من الأحيان يقال أن الأول يعاني من خمول أكثر من الثاني.

بسبب العلاقة بين القصور الذاتي والكتلة ، أدرك نيوتن أن السرعة وحدها لا تمثل حالة الحركة. هذا هو السبب في أنه عرّف كمية تعرف باسم الزخم أو الزخم الذي يُشار إليه بالحرف p وهو حاصل ضرب الكتلة m والسرعة v:

ع = م ت

يشير الخط العريض في p و v إلى أنها كميات فيزيائية متجهة ، أي أنها كميات ذات حجم واتجاه وإحساس.

من ناحية أخرى ، الكتلة m هي كمية قياسية ، يُخصص لها رقم يمكن أن يكون أكبر من أو يساوي الصفر ، ولكن ليس سالبًا أبدًا. حتى الآن لم يتم العثور على جسم ذي كتلة سالبة في الكون المعروف.

أخذ نيوتن خياله وتجريده إلى أقصى الحدود ، وحدد ما يسمى بالجسيم الحر. الجسيم هو نقطة مادية. أي أنها تشبه النقطة الرياضية ولكن مع الكتلة:

الجسيم الحر هو ذلك الجسيم المعزول للغاية ، بعيدًا عن جسم آخر في الكون بحيث لا يمكن لأي شيء أن يمارس أي تفاعل أو قوة عليه.

واصل نيوتن لاحقًا تحديد الأنظمة المرجعية بالقصور الذاتي ، والتي ستكون تلك التي تنطبق عليها قوانينه الثلاثة للحركة. فيما يلي التعريفات وفقًا لهذه المفاهيم:

نظام مرجعي بالقصور الذاتي

سيكون أي نظام إحداثي متصل بجسيم حر ، أو يتحرك بسرعة ثابتة فيما يتعلق بالجسيم الحر ، نظامًا مرجعيًا بالقصور الذاتي.

قانون نيوتن الأول (قانون القصور الذاتي)

إذا كان الجسيم حراً ، فإن له زخمًا ثابتًا فيما يتعلق بالإطار المرجعي بالقصور الذاتي.

أول قانون وزخم لنيوتن. المصدر: عصامي.

تمارين محلولة

التمرين 1

تنطلق عفريت هوكي 160 جرام على حلبة التزلج على الجليد بسرعة 3 كم / ساعة. ابحث عن زخمها.

المحلول

كتلة القرص بالكيلوجرام: م = 0.160 كجم.

السرعة بالأمتار في الثانية: v = (3 / 3.6) m / s = 0.8333 m / s

يتم حساب مقدار الحركة أو الزخم p على النحو التالي: p = m * v = 0.1333 kg * m / s ،

تمرين 2

يعتبر الاحتكاك في القرص الأمامي صفريًا ، لذلك يتم الحفاظ على الزخم طالما لا شيء يغير المسار المستقيم للقرص. ومع ذلك ، من المعروف أن قوتين تؤثران على القرص: وزن القرص والتلامس أو القوة الطبيعية التي تمارسها الأرضية عليه.

احسب قيمة القوة العمودية بوحدة نيوتن واتجاهها.

المحلول

نظرًا للحفاظ على الزخم ، يجب أن تكون القوة الناتجة على قرص الهوكي صفراً. يشير الوزن عموديًا إلى الأسفل وهو صالح: P = m * g = 0.16 kg * 9.81 m / s²

يجب أن تتعارض القوة العمودية بالضرورة مع الوزن ، لذلك يجب أن تتجه عموديًا لأعلى ويكون حجمها 1.57 نيوتن.

مقالات ذات أهمية

أمثلة على قانون نيوتن في الحياة الواقعية.

المراجع

1. Alonso M.، Finn E.Vysics volume I: Mechanics. 1970. Fondo Educativo Interamericano SA
2. هيويت ، ب. العلوم الفيزيائية المفاهيمية. الطبعه الخامسة. بيرسون. 67-74.
3. يونغ ، هيو. الفيزياء الجامعية مع الفيزياء الحديثة. 14 إد بيرسون. 105-107.