شرح قوانين نيوتن الثلاثة

نشر إسحاق نيوتن عام 1687 ثلاث قواعد تفسِّر حركة كلّ جسم تراه — من كرةٍ تتدحرج إلى تفّاحةٍ تسقط إلى مركبةٍ فضائية. وبعد ثلاثة قرون ما زالت أساس فيزياء المرحلة الثانوية. وهذا ما تقوله كلٌّ منها فعلًا، وكيف تُستخدم.

قانون نيوتن الأول — قانون القصور الذاتي

الجسم الساكن يبقى ساكنًا، والجسم المتحرّك يبقى متحرّكًا بالسرعة نفسها وفي الاتجاه نفسه — إلّا إذا أثّرت فيه قوّةٌ غير متوازنة (قوّة محصِّلة).

ويُسمّى هذا قانون القصور الذاتي. والقصور الذاتي هو ميل الجسم إلى مقاومة أيّ تغيُّرٍ في حالة حركته. وكلّما زادت كتلة الجسم زاد قصوره الذاتي.

إذا كانت القوى المؤثِّرة في جسمٍ متوازنة (القوّة المحصِّلة = 0) فلا يتعرّض الجسم لتعجيل. فهو إمّا يبقى ساكنًا أو يستمرّ في الحركة بسرعةٍ ثابتة. والسكون ليس حالةً خاصّة — فالسرعة الثابتة صحيحة بالقدر نفسه.

أمثلة من الواقع:

• •انقذاف الراكب إلى الأمام عند فرملة السيارة — فجسمه يريد أن يبقى متحرّكًا؛ تتوقّف السيارة لكنّ القصور الذاتي يحمله إلى الأمام.
• •انزلاق قرص الهوكي على جليدٍ يكاد يخلو من الاحتكاك — فلولا احتكاكٌ يوقفه لاستمرّ إلى ما لا نهاية.
• •كرةٌ موضوعةٌ على طاولة — الجاذبية تسحب إلى الأسفل وقوّة رد الفعل العمودية تدفع إلى الأعلى. القوّة المحصِّلة = 0، فتبقى الكرة في موضعها.

قانون نيوتن الثاني — F = ma

القوّة المحصِّلة المؤثِّرة في جسمٍ تساوي كتلته مضروبةً في تعجيله:

F = ma

تُقاس F بالنيوتن (N)، وm بالكيلوغرام (kg)، وa بالمتر لكلّ ثانية مربّعة (m/s²).

يربط هذا القانون ثلاث كميّات. فإذا عرفت اثنتين منها أمكنك إيجاد الثالثة. وبإعادة ترتيب الصيغة:

F = ma

إيجاد القوّة

a = F/m

إيجاد التعجيل

m = F/a

إيجاد الكتلة

مهمّ: القوّة F في قانون نيوتن الثاني هي القوّة المحصِّلة — مجموع القوى كلّها معًا (مع مراعاة الاتجاه). وإذا عارض الاحتكاك الدفع فاطرحه أوّلًا: F_net = F_applied − F_friction.

مسائل مخطَّط الجسم الحرّ — خطوةً خطوة

قانون نيوتن الثالث — الفعل ورد الفعل

لكلّ فعلٍ رد فعلٍ مساوٍ له في المقدار ومضادٍّ له في الاتجاه. فإذا أثّر الجسم A بقوّةٍ في الجسم B، أثّر الجسم B في الجسم A بقوّةٍ مساوية في الاتجاه المضادّ.

ولاحظ: القوّتان تؤثِّران في جسمين مختلفين، فهما لا تتلاشيان معًا أبدًا (لأنّهما على جسمين مختلفين).

أمثلة من الواقع:

• •المشي: تدفع قدمك الأرض إلى الخلف، فتدفعك الأرض إلى الأمام — وهذا الدفع إلى الأمام هو ما يحرّكك.
• •دفع الصاروخ: يدفع الصاروخ غاز العادم إلى الأسفل، فيدفع الغاز الصاروخ إلى الأعلى.
• •السباحة: تسحب الماء إلى الخلف، فيدفعك الماء إلى الأمام.

أزواج القانون الثالث تتضمّن دائمًا قوًى من النوع نفسه (كلتاهما جاذبية، أو كلتاهما تلامس، وهكذا) وتؤثِّر في جسمين مختلفين. ومن الالتباس الشائع أنّ قوّة رد الفعل تُلغي الفعل — وهما في الحقيقة على جسمين منفصلين.

الوزن والكتلة

يخلط كثيرٌ من الطلبة بينهما في الحساب.

• القانون الأول: لا قوّة محصِّلة = لا تغيُّر في الحركة (سكون أو سرعة ثابتة).
• القانون الثاني: F = ma، بالقوّة المحصِّلة لا بالقوّة المؤثِّرة وحدها.
• القانون الثالث: قوّتان متساويتان ومتضادّتان — لكن على جسمين مختلفين.
• الوزن (N) = الكتلة (kg) × g (9.8 m/s²).
• ارسم مخطَّط جسمٍ حرّ قبل كلّ مسألة قوى — فذلك يمنع أخطاء الإشارة.

البناء على قوانين نيوتن

تؤدّي هذه القوانين الثلاثة مباشرةً إلى معادلات الحركة ومسائل الاحتكاك والمستويات المائلة، ثمّ إلى الطاقة وكمّية التحرّك. وإن كانت الفيزياء تبدو لك صيغًا منفصلة لا قصّةً متّصلة، فـابدأ بجلسة استشارية وسنبني سلسلة المنطق من الأساس.