ينص قانون الحركة الأول لإسحاق نيوتن أنّ: «الجسم في حالة السكون سيبقى في حالة سكون، والجسم في حالة الحركة سيبقى في هذه الحالة ما لم تُطبَّق قوة خارجية عليه».
ماذا يحدث إذًا لجسمٍ عندما تُطبَّق قوة خارجية عليه؟ يصفُ قانون نيوتن الثاني للحركة هذه الحالة. وعادة ما يوصف هذا القانون بأنه “قانون التسارع”.
نص قانون نيوتن الثاني للحركة (قانون التسارع والقوة)
ينصُّ هذا القانون -وفقًا لناسا- أنَّ: «القوة تساوي التغير في الزخم (كمية الحركة) بالنسبة للتغير في الزمن وبالنسبة للقوة الثابتة، فالقوة تساوي التسارع مضروبًا بالكتلة«.
وتُعبر المعادلة الرياضية عن هذا « F = ma » F هي القوة وm هي الكتلة وa تمثل عجلة التسارع.
هذه العملية الرياضية بسيطة جدًا فإذا ضاعفت القوة ستضاعف التسارع، ولكن إذا ضاعفت الكتلة ستخفض عجلة التسارع للنصف.
نشر نيوتن قوانينه للحركة في عام 1687، في عمله الأصلي (المبادئ الرياضية للفلسفة الطبيعية – Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica ) الذي صاغ فيه وصفًا لكيفية تحرك الأجسام الضخمة تحت تأثير القوى الخارجية.
وفقًا للأستاذ جريج بوثون أستاذ الفيزياء في (جامعة أوريغون -University of Oregon ): «توسع نيوتن في الأعمال السابقة لغاليلو جاليلي الذي وضع أول القوانين الدقيقة لحركة الكتل.»
أظهرت تجارب غاليليو أنّ جميع الكتل تتسارع بنفس المعدل بغض النظر عن الحجم أو الكتلة، وانتقد نيوتن أيضًا أعمال رينيه ديكارت وتوسع فيها، حيث نشر ديكارت أيضًا مجموعةً من قوانين الطبيعة في عام 1644 بعد عامين من ولادة نيوتن، وتشبه قوانين ديكارت جدًا قانون نيوتن الأول للحركة.
قانون التسارع والسرعة
ينص قانون نيوتن الثاني: «عندما تطبق قوة ثابتة على جسم ضخم، فإنها تتسبب في تسريعه أي تغيير سرعته بمعدل ثابت».
في أبسط حالة، يسبب تطبيق قوة على جسم في حالة السكون تسارعه في اتجاه القوة، ولكن إذا كان الجسم بالفعل في حالة الحركة أو إذا كان يُنظر إليه من إطار مرجعي متحرك سيبدو الجسم متسارعًا أو متباطئًا أو مغيرًا لاتجاهه معتمدًا على اتجاه القوة واتجاهات تحرك الجسم والإطار المرجعي بالنسبة لبعضهما البعض.
وتشير الحروف F و a في المعادلة إلى أن القوة والتسارع هي كميات متجهة مما يعني أنها ذات حجم واتجاه، والقوة يمكن أن تكون قوةً واحدةً أو يمكن أن تكون مزيجًا من أكثر من قوة وفي هذه الحالة تُكتَب المعادلة كما يلي (∑▒〖F ⃗ = ma ⃗ 〗) و ∑ (حرف سيغما اليوناني) يمثل مجموع متجهات جميع القوى أو القوة المحصلة المُطبقة على الجسم.
من الصعب تصور تطبيق قوة ثابتة على جسم لفترة زمنية غير محددة وفي معظم الحالات لا يمكن تطبيق القوى إلا لفترة محدودة مما ينتج ما يسمى( الاندفاع – impulse).
بالنسبة لجسم ضخم يتحرك في إطار مرجعي قصوري دون تأثير أيّ قوى أخرى عليه مثل قوة الاحتكاك، سيتسبب اندفاع معين تغييرًا معينًا في سرعته، قد يُسرع الجسم أو يُبطئ أو يتغير اتجاهه وبعد ذلك سيستمر في التحرك بثبات على بسرعته الجديدة (ما لم يوقفه الاندفاع).
ومع ذلك، هناك حالة واحدة نواجه فيها قوة ثابتة وهي القوة الناجمة عن تسارع الجاذبية والتي تسبب هبوط الأجسام الكبيرة على الأرض.
في هذه الحالة، يُكتب التسارع المستمر بسبب الجاذبية كـ ( g) ويصبح القانون الثاني لنيوتن(F=mg) لاحظ في هذه الحالة، F و g ليستا مكتوبتين تقليديًا بشكلِ أشعة لأنهما دائمًا تشيران لنفس الاتجاه أيّ للأسفل.
يُعرف ناتج ضرب الكتلة في تسارع الجاذبية (mg) بالوزن وهو مجرد نوع آخر من القوة.
دون الجاذبية لا يوجد للجسم الضخم وزن وبدون جسم ضخم لا يمكن للجاذبية أن تنتج قوة، وللتغلب على الجاذبية ورفع جسم ضخم يجب أن تنتج قوة صاعدة (ma) أكبر من قوة الجاذبية الهابطة (mg).
تطبيقات قانون نيوتن الثاني
تستخدم الصواريخ التي تسافر عبر الفضاء جميع قوانين نيوتن الثلاثة للحركة.
إذا كان الصاروخ يحتاج إلى إبطاء أو تسريع أو تغيير في الاتجاه تُستخدم القوة لإعطائه دفعة وتأتي عادةً من المحرك.
كمية القوة والمكان الذي يُطبَّق فيه الاندفاع يمكنه تغيير إما السرعة -جزء من حجم التسارع- أو الاتجاه أو كليهما معًا.
أصبحنا الآن نعرف كيف يتصرف جسم ضخم في إطار زخمٍ مرجعيّ عندما يتعرض لقوةٍ خارجيةٍ، مثل كيفية استخدام المحركات التي تولد تلك الدفعة للمناورة بالصاروخ.
لكن ماذا يحدث للجسم الذي يبذل تلك القوة؟ يصف (قانون نيوتن الثالث للحركة – Newton’s Third Law of Motion) هذا الوضع.
- ترجمة: دلال مطر
- تدقيق: رَنْد عصام
- المصدر
