قانون نيوتن الثالث: تطبيقات وتجارب وتمارين - جسدي - بدني - 2025

و القانون الثالث لنيوتن ، وتسمى أيضا العمل وقانون رد فعل الدول التي عندما تجبر على يبذل الكائن على آخر، ويمارس أيضا الأخيرة على أول قوة متساوية في حجم واتجاه و في الاتجاه المعاكس.

جعل إسحاق نيوتن قوانينه الثلاثة معروفة في عام 1686 في كتابه Philosophiae Naturalis Principia Mathematica أو المبادئ الرياضية للفلسفة الطبيعية.

يتلقى صاروخ فضائي الدفع اللازم بفضل الغازات المنبعثة. المصدر: Pixabay.

الشرح والصيغ

الصياغة الرياضية لقانون نيوتن الثالث بسيطة للغاية:

F ₁₂ = - F ₂₁

إحدى القوتين تسمى الفعل والأخرى هي رد الفعل. ومع ذلك ، من الضروري التأكيد على أهمية هذه التفاصيل: كلاهما يعمل على كائنات مختلفة. يفعلون ذلك أيضًا في وقت واحد ، على الرغم من أن هذه المصطلحات تشير بشكل غير صحيح إلى أن الإجراء يحدث قبل رد الفعل وبعده.

نظرًا لأن القوات هي نواقل ، يتم الإشارة إليها بالخط العريض. تشير هذه المعادلة إلى أن لدينا كائنين: الجسم 1 والجسم 2. القوة F ₁₂ هي التي يمارسها الكائن 1 على الكائن 2. القوة F ₂₁ تمارس بواسطة الكائن 2 على الكائن 1. و تشير العلامة (-) إلى أنهما متعاكسان.

تُظهر الملاحظة الدقيقة لقانون نيوتن الثالث اختلافًا مهمًا عن القانونين الأولين: بينما يستدعيان شيئًا واحدًا ، يشير القانون الثالث إلى شيئين مختلفين.

وهي أنك إذا فكرت جيدًا ، فإن التفاعلات تتطلب أزواجًا من الأشياء.

لهذا السبب ، لا تلغي قوى الفعل ورد الفعل بعضها البعض أو تكون متوازنة ، على الرغم من أن لها نفس الحجم والاتجاه ، ولكن الاتجاه المعاكس: يتم تطبيقها على أجسام مختلفة.

التطبيقات

تفاعل الكرة الأرضية

فيما يلي تطبيق يومي للغاية للتفاعل المتعلق بقانون نيوتن الثالث: الكرة الساقطة رأسياً والأرض. تسقط الكرة على الأرض لأن الأرض تمارس قوة جذب تُعرف بالجاذبية. تتسبب هذه القوة في سقوط الكرة بتسارع ثابت قدره 9.8 م / ث ².

ومع ذلك ، لا يكاد أحد يفكر في حقيقة أن الكرة تمارس أيضًا قوة جذب على الأرض. وبالطبع تظل الأرض دون تغيير ، لأن كتلتها أكبر بكثير من كتلة الكرة وبالتالي تعاني من تسارع ضئيل.

نقطة أخرى ملحوظة حول قانون نيوتن الثالث هي أن الاتصال بين الكائنين المتفاعلين ليس ضروريًا. يتضح من المثال الذي تم الاستشهاد به للتو: الكرة لم تتصل بالأرض بعد ، لكنها مع ذلك تمارس جاذبيتها. والكرة على الأرض أيضًا.

تسمى قوة مثل الجاذبية ، التي تعمل بشكل غير واضح سواء كان هناك اتصال بين الأشياء أم لا ، "قوة العمل على مسافة". من ناحية أخرى ، تتطلب قوى مثل الاحتكاك والقوى العادية أن تكون الأشياء المتفاعلة على اتصال ، ولهذا يطلق عليها "قوى الاتصال".

صيغ مأخوذة من المثال

بالعودة إلى زوج الأجسام الكرة - الأرض ، واختيار المؤشرين P للكرة و T للأرض وتطبيق قانون نيوتن الثاني على كل مشارك في هذا النظام ، نحصل على:

_الناتج F = م. إلى

ينص القانون الثالث على أن:

م _{الفوسفور} أ _ف = - م _تي أ _ت

أ _P = 9.8 م / ث ² موجهة رأسياً لأسفل. نظرًا لأن هذه الحركة تحدث على طول الاتجاه الرأسي ، يمكن الاستغناء عن رمز المتجه (الغامق) ؛ واختيار الاتجاه الصاعد كإيجابي ومنخفض سلبي ، لدينا:

أ _P = 9.8 م / ث ²

م _تي ≈ 6 × 10 ²⁴ كجم

بغض النظر عن كتلة الكرة ، فإن عجلة الأرض تساوي صفرًا. هذا هو السبب في أنه لوحظ أن الكرة تسقط باتجاه الأرض وليس العكس.

تشغيل صاروخ

الصواريخ هي خير مثال على تطبيق قانون نيوتن الثالث. يرتفع الصاروخ الموضح في الصورة في البداية بفضل دفع الغازات الساخنة بسرعة عالية.

يعتقد الكثير أن هذا يحدث لأن هذه الغازات "تتكئ" بطريقة ما على الغلاف الجوي أو الأرض لدعم ودفع الصاروخ. الأمر لا يسير بهذا الشكل.

مثلما يمارس الصاروخ القوة على الغازات ويطردها للخلف ، تمارس الغازات قوة على الصاروخ ، الذي له نفس المعامل ، ولكن الاتجاه المعاكس. هذه القوة هي التي تعطي الصاروخ تسارعه لأعلى.

إذا لم يكن لديك مثل هذا الصاروخ في متناول اليد ، فهناك طرق أخرى للتحقق من أن قانون نيوتن الثالث يعمل على توفير الدفع. يمكن بناء صواريخ الماء ، حيث يتم توفير الدفع اللازم بواسطة الماء المطرود بواسطة غاز تحت الضغط.

وتجدر الإشارة إلى أن إطلاق صاروخ مائي يستغرق وقتًا ويتطلب الكثير من الاحتياطات.

استخدام الزلاجات

هناك طريقة أكثر تكلفة وفورية لاختبار تأثير قانون نيوتن الثالث وهي ارتداء زوج من الزلاجات ودفع نفسك بالحائط.

في معظم الأحيان ، ترتبط القدرة على ممارسة القوة بالأشياء المتحركة ، ولكن الحقيقة هي أن الأشياء غير المتحركة يمكنها أيضًا ممارسة القوى. يتم دفع المتزلج للخلف بفضل القوة التي يمارسها عليه الجدار الثابت.

تمارس الأسطح الملامسة قوى تلامس (طبيعية) مع بعضها البعض. عندما يستريح الكتاب على طاولة أفقية ، فإنه يمارس قوة عمودية تسمى العمودي عليها. يمارس الكتاب على الطاولة قوة رأسية لها نفس القيمة العددية والاتجاه المعاكس.

تجربة للأطفال: المتزلجين

يمكن للأطفال والكبار تجربة قانون نيوتن الثالث بسهولة والتحقق من أن قوى الفعل ورد الفعل لا تلغي وقادرة على توفير الحركات.

يمكن لاثنين من المتزلجين على الجليد أو على سطح أملس للغاية دفع بعضهما البعض وتجربة حركات في الاتجاه المعاكس ، سواء كان لديهم نفس الكتلة أم لا ، وذلك بفضل قانون الفعل ورد الفعل.

فكر في اثنين من المتزلجين بكتل مختلفة تمامًا. هم في منتصف حلبة للتزلج على الجليد مع احتكاك ضئيل وهم في البداية في حالة راحة. في لحظة معينة ، يدفعون بعضهم البعض من خلال استخدام القوة المستمرة براحة أيديهم. كيف سيتحرك كلاهما؟

اثنان من المتزلجين يدفعان بعضهما البعض في منتصف حلبة للتزلج على الجليد. المصدر: بنجامين كروويل (مستخدم ويكيبيديا بكروويل)

من المهم ملاحظة أنه نظرًا لأنه سطح عديم الاحتكاك ، فإن القوى غير المتوازنة الوحيدة هي القوى التي يطبقها المتزلجون على بعضهم البعض. على الرغم من أن الوزن والعمل الطبيعي على كليهما ، فإن هذه القوى تتوازن ، وإلا فإن المتزلجين سيتسارعون في اتجاه عمودي.

تم تطبيق الصيغ في هذا المثال

ينص قانون نيوتن الثالث على ما يلي:

F ₁₂ = - F ₂₁

أي أن القوة التي يمارسها المتزلج 1 على 2 تساوي في المقدار القوة التي يمارسها 2 على 1 ، مع نفس الاتجاه والاتجاه المعاكس. لاحظ أنه يتم تطبيق هذه القوى على كائنات مختلفة ، بنفس الطريقة التي تم بها تطبيق القوى على الكرة والأرض في المثال المفاهيمي السابق.

م ₁ إلى ₁ =-م ₂ إلى ₂

نظرًا لأن القوى متعاكسة ، فإن التسارع الذي تسببه سيكون أيضًا متعاكسًا ، لكن مقاديرها ستكون مختلفة ، لأن كل متزلج له كتلة مختلفة. لنلقِ نظرة على التسارع الذي حصل عليه المتزلج الأول:

لذا فإن الحركة التي تحدث بعد ذلك هي فصل المتزلجين في اتجاهين متعاكسين. من حيث المبدأ ، كان المتزلجون في حالة راحة في منتصف المسار. يمارس كل منهما قوة على الآخر توفر التسارع طالما أن اليدين على اتصال واستمر الدفع.

بعد ذلك يتحرك المتزلجون بعيدًا عن بعضهم البعض بحركة مستقيمة منتظمة ، حيث لم تعد القوى غير المتوازنة تعمل. ستكون سرعة كل متزلج مختلفة إذا كانت كتلته أيضًا.

تمرين حل

لحل المشكلات التي يجب تطبيق قوانين نيوتن فيها ، من الضروري رسم القوى المؤثرة على الجسم بعناية. يسمى هذا الرسم "مخطط الجسم الحر" أو "مخطط الجسم المعزول". لا ينبغي أن تظهر القوى التي يمارسها الجسم على الأشياء الأخرى في هذا الرسم البياني.

إذا كان هناك أكثر من كائن واحد متضمن في المشكلة ، فمن الضروري رسم مخطط جسم حر لكل كائن ، مع تذكر أن أزواج الفعل والتفاعل تعمل على أجسام مختلفة.

أ) التسارع الذي يكتسبه كل متزلج بفضل الدفع.

ب) سرعة كل واحد عند انفصالهما

المحلول

أ) خذ الاتجاه الأفقي الإيجابي من اليسار إلى اليمين. تطبيق قانون نيوتن الثاني بالقيم التي يوفرها البيان الذي لدينا:

F ₂₁ = م ₁ إلى ₁

من اين:

للمتزلج الثاني:

ب) تُستخدم المعادلات الحركية للحركة المستقيمة المسرعة بشكل منتظم لحساب السرعة التي تحملها تمامًا كما تفصل:

السرعة الابتدائية هي 0 ، لأنهم كانوا في حالة سكون في منتصف المسار:

الخامس _و = في

v _f1 = a ₁ t = -4 m / s ². 0.40 ق = -1.6 م / ث

ع _f2 = أ ₂ ر = +2.5 م / ث ². 0.40 ق = +1 م / ث

النتائج

كما هو متوقع ، الشخص 1 الذي يكون أخف وزنًا يكتسب تسارعًا أكبر وبالتالي سرعة أكبر. لاحظ الآن ما يلي حول ناتج الكتلة وسرعة كل متزلج:

م ₁ ت ₁ = 50 كجم. (-1.6 م / ث) = - 80 كجم.م / ث

م ₂ ت ₂ = 80 كجم. 1 م / ث = +80 كجم.م / ث

مجموع كلا المنتجين هو 0. حاصل ضرب الكتلة والسرعة يسمى الزخم P. وهو متجه له نفس الاتجاه والإحساس بالسرعة. عندما يكون المتزلجون في حالة راحة وكانت أيديهم على اتصال ، يمكن افتراض أنهم شكلوا نفس الشيء الذي كان زخمه:

P _o = (m ₁ + m ₂) v _o = 0

بعد اكتمال الدفع ، يظل مقدار حركة نظام التزحلق على الجليد 0. لذلك يتم الحفاظ على مقدار الحركة.

أمثلة على قانون نيوتن الثالث في الحياة اليومية

سير

المشي هو أحد أكثر الأعمال اليومية التي يمكن القيام بها. إذا لوحظت حركة المشي بعناية ، فإن حركة المشي تتطلب دفع القدم على الأرض ، بحيث تُرجع قوة مساوية ومعاكسة على قدم المشاة.

أثناء سيرنا نطبق باستمرار قانون نيوتن الثالث. المصدر: Pixabay.

تلك القوة بالتحديد هي التي تسمح للناس بالمشي. أثناء الطيران ، تمارس الطيور قوة على الهواء ويدفع الهواء الأجنحة بحيث يدفع الطائر نفسه للأمام.

حركة السيارة

في السيارة ، تمارس العجلات قوى على الرصيف. بفضل رد فعل الرصيف ، فإنه يمارس قوى على الإطارات التي تدفع السيارة إلى الأمام.

رياضة

في الرياضة ، قوى العمل ورد الفعل عديدة ولها مشاركة نشطة للغاية.

على سبيل المثال ، دعنا نرى الرياضي وقدمه مستندة على كتلة البادئ. توفر الكتلة قوة طبيعية كرد فعل على الدفع الذي يمارسه اللاعب عليها. نتيجة هذا الوضع الطبيعي ووزن العداء ينتج قوة أفقية تسمح للرياضي بدفع نفسه للأمام.

يستخدم الرياضي كتلة البادئ لإضافة زخم للأمام في البداية. المصدر: Pixabay.

خراطيم اطفاءة حرائق

مثال آخر يوجد فيه قانون نيوتن الثالث هو أن رجال الإطفاء يحملون خراطيم إطفاء. نهاية هذه الخراطيم الكبيرة لها مقبض على الفوهة التي يجب أن يمسكها رجل الإطفاء عند خروج تدفق المياه ، لتجنب الارتداد الذي يحدث عندما يخرج الماء بأقصى سرعة.

للسبب نفسه ، من الملائم ربط القوارب بالرصيف قبل مغادرتها ، لأنه عندما يتم دفعها للوصول إلى الرصيف ، يتم توفير قوة للقارب الذي يحركه بعيدًا عنه.

المراجع

1. جيانكولي ، د. 2006. الفيزياء: مبادئ مع تطبيقات. الطبعة السادسة. برنتيس هول. 80 - 82.
2. ريكس ، 2011. أساسيات الفيزياء. بيرسون. 73 - 75.
3. تيبلر ، ص 2010. الفيزياء. المجلد 1. الطبعة الخامسة. افتتاحية Reverté. 94-95.
4. ستيرن ، د. 2002. من علماء الفلك إلى سفن الفضاء. مأخوذة من: pwg.gsfc.nasa.gov.