قانون نيوتن الأول: التفسير والصيغ ، التجارب والتمارين

أول قانون نيوتن ، المعروف أيضا باسم قانون القصور الذاتي ، اقترح لأول مرة إسحاق نيوتن ، الفيزيائي ، عالم الرياضيات ، الفيلسوف ، اللاهوتي ، المخترع والكيميائي الإنجليزي. ينص القانون على ما يلي: " إذا لم يتعرض أي جسم لأي قوة ، أو إذا ألغت القوى المؤثرة عليه بعضها بعضًا ، فسيستمر التحرك بسرعة ثابتة في خط مستقيم".

في هذا البيان ، تستمر الكلمة الرئيسية . إذا تم استيفاء مقر القانون ، فسيستمر الجسم في الحركة كما كان. ما لم تظهر قوة غير متوازنة وتغيير حالة الحركة.

هذا يعني أنه إذا كان الكائن في حالة راحة ، فسوف يستمر في حالة راحة ، ما لم تسحبه القوة من تلك الحالة. هذا يعني أيضًا أنه إذا كان جسم ما يتحرك بسرعة ثابتة في اتجاه مستقيم ، فسوف يستمر في التحرك بهذه الطريقة. سوف يتغير فقط عندما يمارس وكيل خارجي قوة عليه ويغير سرعته.

خلفية القانون

ولد إسحاق نيوتن في وولستهور مانور (المملكة المتحدة) في 4 يناير 1643 وتوفي في لندن في 1727.

التاريخ الدقيق الذي اكتشف فيه السير إسحاق نيوتن قوانينه الثلاثة للديناميات ، بما في ذلك القانون الأول ، غير معروف على وجه اليقين. ولكن من المعروف أنه كان قبل فترة طويلة من نشر الكتاب الشهير مبادئ الرياضيات للفلسفة الطبيعية ، في 5 يوليو 1687.

يعرف قاموس الأكاديمية الملكية الإسبانية كلمة القصور الذاتي كما يلي:

" ملكية الهيئات للحفاظ على حالتها من الراحة أو الحركة إذا لم يكن ذلك من خلال عمل قوة ".

يستخدم هذا المصطلح أيضًا للتأكيد على أن أي موقف لم يتغير لأنه لم يتم بذل أي جهد لتحقيقه ، لذلك في بعض الأحيان يكون للكلمة "الجمود" دلالة على الروتين أو الكسل.

رؤية ما قبل النيوتونية

قبل نيوتن كانت الأفكار السائدة هي أفكار الفيلسوف اليوناني الكبير أرسطو ، الذي جادل بأنه من أجل الحفاظ على جسم ما في الحركة ، من الضروري أن تتصرف القوة عليه. عندما تتوقف القوة ، تتوقف الحركة. ليس كذلك ، ولكن حتى اليوم يعتقد الكثيرون ذلك.

قام غاليليو جاليلي ، وهو عالم فلك رائع وعالم فيزياء إيطالي عاش بين عامي 1564 و 1642 ، بتجربة وتحليل حركة الأجسام.

كانت إحدى ملاحظات جاليليو هي أن الجسم الذي ينزلق على سطح أملس ومصقول مع اندفاع مبدئي معين ، يستغرق وقتًا أطول للتوقف ولديه حركة أكثر في الخطوط المستقيمة ، لأن الاحتكاك بين الجسم والسطح أقل.

من الواضح أن جاليليو تعامل مع فكرة القصور الذاتي ، لكنه لم يصوغ بيانًا دقيقًا مثل نيوتن.

نعرض أدناه بعض التجارب البسيطة ، والتي يمكن للقارئ إجراء النتائج وتأكيدها. سيتم أيضًا تحليل الملاحظات وفقًا للرؤية الأرسطية للحركة والرؤية النيوتونية.

تجارب حول القصور الذاتي

التجربة 1

يتم ضغط صندوق على الأرض ثم يتم تعليق القوة الدافعة. نلاحظ أن مربع يسافر مسافة قصيرة حتى يتوقف.

فسر التجربة السابقة ونتائجها ، في إطار نظريات ما قبل نيوتن ثم وفقًا للقانون الأول.

في الرؤية الأرسطية ، كان التفسير واضحًا للغاية: لقد توقف الصندوق بسبب تعليق القوة التي حركته.

في النظرة النيوتونية ، لا يمكن للصندوق الموجود على الأرض أن يستمر في الحركة بالسرعة التي كانت عليه في اللحظة التي تم فيها تعليق القوة ، لأن هناك قوة غير متوازنة بين الأرضية والمربع ، مما يؤدي إلى انخفاض السرعة حتى توقف مربع. انها عن قوة الاحتكاك.

في هذه التجربة لم يتم استيفاء مقر قانون نيوتن الأول ، ولهذا السبب توقف الصندوق.

التجربة 2

مرة أخرى عن الصندوق في الطابق / الكلمة. في هذه الفرصة ، يتم الاحتفاظ بالقوة على الصندوق ، بطريقة تعوض قوة الاحتكاك أو توازنها. يحدث هذا عندما نحقق استمرار الصندوق في سرعة ثابتة وفي اتجاه مستقيم.

لا تتعارض هذه التجربة مع الرؤية الأرسطية للحركة: يتحرك الصندوق بسرعة ثابتة لأن هناك قوة تمارس عليها.

كما أنه لا يتعارض مع مقاربة نيوتن ، لأن جميع القوى المؤثرة في الصندوق متوازنة. لنرى:

  • في الاتجاه الأفقي ، تكون القوة التي تمارس على الصندوق متساوية وفي الاتجاه المعاكس لقوة الاحتكاك بين الصندوق والأرض.
  • ثم تكون القوة الصافية في الاتجاه الأفقي صفراً ، ولهذا يحافظ الصندوق على سرعته واتجاهه.

في الاتجاه الرأسي أيضًا ، يتم توازن القوى ، نظرًا لأن وزن الصندوق الذي يمثل قوة رأسية إلى أسفل يتم تعويضه تمامًا بواسطة قوة التلامس (أو العادية) التي تمارسها الأرضية على الصندوق لأعلى عموديًا.

بالمناسبة ، يرجع وزن الصندوق إلى جاذبية الأرض.

التجربة 3

نواصل مربع يستريح على الأرض. في الاتجاه الرأسي ، تكون القوى متوازنة ، وهذا يعني أن القوة العمودية الصافية هي صفر. سيكون من المدهش جدًا أن يكون الصندوق قد ارتفع. ولكن في الاتجاه الأفقي هناك قوة الاحتكاك.

الآن ، من أجل تحقيق فرضية أول قانون لنيوتن ، نحتاج إلى تقليل الاحتكاك إلى الحد الأدنى للتعبير عنه. يمكننا تحقيق ذلك بطريقة تقريبية إلى حد ما إذا كنا نبحث عن سطح أملس للغاية نرش عليه بزيت السيليكون.

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

إنها نفس الظاهرة التي تحدث مع متزلج على حلبة للتزلج على الجليد ، أو مع لعبة هوكي الجليد عندما يقودون ويتركونها بمفردهم.

في المواقف الموصوفة ، حيث يتم تقليل الاحتكاك إلى الصفر تقريبًا ، تكون القوة الناتجة تقريبًا صفر ويحتفظ الكائن بسرعته ، وفقًا لقانون نيوتن الأول.

في النظرة الأرسطية ، لا يمكن أن يحدث هذا ، لأنه وفقًا لهذه النظرية الساذجة ، تحدث الحركة فقط عندما يكون هناك قوة صافية على الكائن المتحرك.

شرح قانون نيوتن الأول

الجمود والكتلة

الكتلة هي كمية مادية تشير إلى مقدار المادة التي تحتوي على جسم أو جسم.

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 عملياً كتلة الذرة والمادة.

تقاس الكتلة عادة بالكيلوغرامات ، وهي الوحدة الأساسية للنظام الدولي للوحدات (SI).

النموذج الأولي أو المرجع للكيلوغرام عبارة عن أسطوانة من البلاتين والإيريديوم يتم الاحتفاظ بها في المكتب الدولي للأوزان والمقاييس في سيفر في فرنسا ، على الرغم من أنها في عام 2018 كانت مرتبطة بثابت بلانك ويصبح التعريف الجديد سارياً 20 مايو 2019

حسنا ، يحدث أن ترتبط الجمود والكتلة. كلما زادت الكتلة ، زاد القصور الذاتي في الجسم. من الأصعب أو المكلف من حيث الطاقة تغيير حالة حركة جسم أكثر كثافة من جسم أقل كثافة.

مثال

على سبيل المثال ، هناك حاجة إلى مزيد من القوة والمزيد من العمل للحصول على مربع من الطن (1000 كجم) من الراحة من واحد كيلوغرام (1 كجم). هذا هو السبب في كثير من الأحيان يقال أن الأول لديه المزيد من الجمود من الثانية.

بسبب العلاقة بين القصور الذاتي والكتلة ، أدرك نيوتن أن السرعة وحدها لا تمثل حالة الحركة. لهذا السبب قام بتعريف كمية تعرف باسم الزخم أو الزخم الذي يشار إليه بالحرف p وهو ناتج الكتلة m ضرب السرعة v :

ع = م ضد

تشير الأحرف الغامقة الموجودة في p وفي v إلى أنها عبارة عن كميات متجهية فعلية ، بمعنى أنها كميات ذات حجم واتجاه وإحساس.

بدلاً من ذلك ، تكون الكتلة m عبارة عن كمية عددية ، يتم تخصيص رقم لها يمكن أن يكون أكبر من الصفر أو يساويه ، ولكن ليس سالبًا. حتى اللحظة الحالية ، لم يتم العثور على كائن من الكتلة السلبية في الكون المعروف.

استغرق نيوتن خياله والتجريد إلى أقصى الحدود ، وتحديد ما يسمى الجسيمات الحرة . الجسيم هو نقطة المواد. وهذا هو ، مثل نقطة رياضية ولكن مع الكتلة:

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

ومضى نيوتن لاحقًا في تحديد النظم المرجعية بالقصور الذاتي ، والتي ستكون تلك التي تطبق فيها قوانين الحركة الثلاثة. فيما يلي التعريفات وفقًا لهذه المفاهيم:

مرجع نظام القصور الذاتي

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

قانون نيوتن الأول (قانون القصور الذاتي)

إذا كان الجسيم حرًا ، فسيكون له مقدار ثابت من الحركة فيما يتعلق بنظام مرجعي بالقصور الذاتي.

تمارين حلها

التمرين 1

يسير حلبة الهوكي التي يبلغ وزنها 160 جرامًا على حلبة التزلج على الجليد بسرعة 3 كم / ساعة. العثور على كمية الحركة الخاصة بك.

حل

كتلة القرص بالكيلوغرام هي: م = 0.160 كجم.

السرعة بالأمتار في الثانية: v = (3 / 3.6) م / ث = 0.8333 م / ث

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

التمرين 2

يعتبر الاحتكاك في القرص الأمامي باطلاً ، ولهذا السبب يتم الحفاظ على الزخم بينما لا يوجد شيء يغير المسار الصحيح للقرص. ومع ذلك ، فمن المعروف أن هناك قوتين تعملان على القرص: وزن القرص وقوة التلامس أو العادية التي تمارسها الأرض عليه.

حساب قيمة القوة الطبيعية في نيوتن واتجاهها.

حل

مع الحفاظ على الزخم ، يجب أن تكون القوة الناتجة على عفريت الهوكي صفراً. يشير الوزن عموديًا إلى أسفل ويكون صالحًا: P = m * g = 0.16 كجم * 9.81 م / ث²

يجب أن تتصدى القوة الطبيعية بالضرورة للوزن ، لذلك يجب أن تشير رأسًا إلى أعلى ويكون حجمها 1.57 ن.

المواد المثيرة للاهتمام

أمثلة على قانون نيوتن في الحياة الحقيقية.