ما اهداف قوانين نيوتن وكيف تطبق في الحياة العملية؟

قام إسحاق نيوتن بصياغة أهم القوانين الفيزيائية في الحركة والتي تتمتع بأهمية كبيرة في علم الفيزياء، فما هي أهداف قوانين نيوتن؟

تُعرف قوانين نيوتن بأنها أهم قوانين الفيزياء، سميّت بذلك تبعاً لمخترعها اسحاق نيوتن الذي استخدم قوانينه الثلاث التالية لدراسة حركات الأجسام:

 يبقى الجسم الثابت أو المتحرك بتسارع معدوم  ساكناً أو يتحرك بسرعة ثابتة مادامت القوى الخارجيّة المؤثرة عليه متوازنة. مثال على ذلك: بقاء الركاب في الحافلة والطائرة ثابتين بالرغم من سير تلك المركبات، بحيث يساعد القانون الأول مصنعو المركبات على تحقيق التوازن بين القوى المؤثرة على المركبة من هواء وعجلات وثقل لتحقيق ثبات للركاب حتّى في حالة التوقف المفاجئ.

 يتحرك الجسم الثابت أو يكتسب تسارعاً إذا كان مُتحرّكاً بسرعة ثابتة نتيجة القوى التي تؤثر عليه غير المتوازنة بشكل طردي مع القوة وعكسي مع كتلة الجسم. ومثال على ذلك: الكرة التي تم ركلها من قبل لاعب في الهواء تكتسب تسارعاً نتيجة القوى التي تؤثر عليه وعند هبوطها تبدأ في التباطؤ وبالتالي يتم استخدام القانون الثاني لدراسة تسارع وتباطؤ الأجسام بشكل علمي.

 لكل فعل رد فعل أي عند تطبيق قوة من جسم على جسم آخر فإن هذا الأخير يقدم قوة تساوي القوة المؤثرة علية باتجاه عكسي. ومثال على ذلك: عند إطلاق صاروخ إلى الفضاء يقدم قوة كبيرة لإطلاق غازات الاحتراق وتقوم الغازات برد فعل يساعد الصاروخ على الانطلاق بسرعة كبيرة، وبذلك يساعد قانون نيوتن الثالث في دراسة الصواريخ وتشكيلها قبل إطلاقها للفضاء وعلى هذا المبدأ يساعد هذا القانون في انطلاق السيارات والطائرات.

كان وما يزال إسحاق نيوتن من أبرز علماء الفيزياء بنظرياته وتجاربه ودراساته المتعدّدة على الحركة والقوى والفيزياء الكونية والضوء، وتُعدّ قوانين نيوتن للحركة إحدى أهم القوانين الفيزيائية التي تستفيد منها البشرية حتى الآن في مجالاتٍ متعدّدة، كالفضاء والملاحة ودراسة القوى المتعدّدة للآلات والمحركات، ومن الممكن فهم أهداف قوانين نيوتن من خلال شرح قانونه الأول والثاني وشرح استخداماته وتطبيقاته في الحياة العملية:

 “يبقى الجسم في حالة سكون ما لم تؤثر عليه قوّة خارجية” وساعد هذا القانون في صناعة المركبات وحركتها، حيث يعتبر مصنعو المركبات بمختلف أنواعها الأرضية أو البحرية أو الجوية، أجساماً في حالة سكون، وبالتالي عليهم معرفة الطاقة اللازمة لتحريك تلك المركبات وفق قانون نيوتن، بالإضافة إلى قوى الاحتكاك المختلفة كالهواء واحتكاك العجلات وتدافع الأمواج أو طاقة المكابح اللازمة لإيقاف تلك المركبات، لتكون آمنة ومفيدة ضمن إمكانية السيطرة عليها دائماً، وما تزال هذه المبادئ مستعملة حتى في إطلاق الصواريخ والمركبات الفضائية، بالإضافة لتطبيق هذا القانون على حركة السوائل ضمن هذه المركبات، كما تتم مراعاة هذا القانون أثناء تصميم المصاعد، وباختصار يمكن القول إن هذا القانون يهدف لمعرفة جميع القوى الداخلية والخارجية التي تؤثر على حركة أي جسمٍ كان.

 “إذا أثرت محصلة قوى لا تساوي الصفر على جسمٍ ما، أكسبته تسارعاً في نفس الاتجاه، بما يتناسب طرداً مع هذه القوة وعكساً مع كتلة الجسم”، ويساعد هذا المبدأ على دراسة تسارع وتباطؤ الأجسام ويستخدم للتمكن من إرسال المكوك الفضائي إلى الفضاء.

فيصف القانون الثاني حركة الأجسام ذات القوى غير المتوازنة، فعند خضوع جسم ضخم لقوةٍ متحركةٍ، وفي حال كان الجسم ساكنًا سيتحرك، أما في حال كان متحركًا فإما تزداد سرعته أو تقل، بما يتوافق مع اتجاه القوة المؤثرة عليه، إذ تتناسب السرعة التي يكتسبها الجسم طردًا مع عزم القوة المطبقة واتجاهها وعكسًا مع كتلة الجسم المتحرك. ويتم التعبير عن القانون بالمعادلة التالية: F=ma بحيث:

F= القوة

m=الكتلة

a= التسارع.

 يوضح نيوتن في هذا القانون العلاقة بين جسمين يتبادلان تأثير القوى فيما بينهما، فبحسب نظام عمل القوى، أي قوة يطبقها جسمٌ على آخر، ستقابلها قوةٌ معاكسة بالاتجاه ومساوية بالقدر من الجسم الآخر تجاه الأول، أي أن لكل فعلٍ رد فعل، ولا يمكن أن يحصل فعل بدون رد فعلٍ ناتجٍ عنه.

درس اسحاق نيوتن علم البصريات والفلك، ويعود إليه الفضل في إيجاد قوانين التكامل والتفاضل، كما صاغ نيوتن بعضًا من أهم قوانين الفيزياء في الحركة عبر التاريخ، والتي هدف من خلالها لتقديم تفسيرات للظواهر و الأنظمة الفيزيائية التي تجري حولنا.

جمع نيوتن أبحاثه في عملٍ واحدٍ أسماه مبادئ الرياضيات للفلسفة الطبيعية (Philosophiae Naturalis Principia Mathematica)، تضمّن العمل وصفًا من نيوتن لقوانينه الثلاث، بالإضافات لتطبيقاتٍ عمليةٍ عليها.

تعد قوانين نيوتن أساسًا لعلم الميكانيكا أو ما يعرف بعلم القوى المحركة أو الساكنة، كما تبين القوانين العلاقة ما بين القوى المؤثرة على الجسم، ونتائج هذه القوى.