قوانين نيوتن للحركة

قوانين نيوتن للحركة هي أساس الميكانيكا الكلاسيكية وتصف العلاقة بين الجسم والقوى المؤثرة عليه.

على سبيل المثال ، عندما يكون الصاروخ في حالة سكون على منصة الإطلاق قبل الإطلاق ، يمارس الصاروخ والأرض قوى متساوية ومعاكسة على بعضهما البعض. للإقلاع ، أو عندما يكون الصاروخ في الفضاء ، يدفع الغاز المتمدد من الوقود المحترق الصاروخ ويدفعه إلى الأمام. ومع ذلك ، فإن الأمر الأقل وضوحا هو أن الصاروخ يدفع الغاز في نفس الوقت. هذه الظواهر البسيطة تخضع لقوانين نيوتن للحركة ، على الرغم من أن القوى العاملة قد لا تكون واضحة لأن القوى ليست مرئية دائما.

سيقدم هذا الفيديو أساسيات قوانين نيوتن للحركة ، ثم يوضح المفهوم من خلال سلسلة من التجارب التي تقيس القوى بين عربتين بعجلتين في مواقف مختلفة.

تتكون قوانين نيوتن للحركة من ثلاثة قوانين رئيسية. القانون الأول هو الأبسط ، وينص على أن الجسم في حالة سكون يبقى في حالة راحة ، ما لم يتم التصرف بناء عليه من قبل قوة. وبالمثل ، يظل الجسم المتحرك في حالة حركة ما لم تتصرف بناء عليه قوة. على وجه التحديد ، إذا كانت القوى الكلية على الجسم صفرا ، فإن سرعة الجسم ثابتة ، سواء كانت السرعة صفرا أم لا. ومع ذلك ، فإن القوة المطبقة ، مثل ركل الكرة أو الاصطدام بالحائط ، تتسبب في تغيير سرعة الجسم.

ينص قانون نيوتن الثاني على أن معدل تغير سرعة الأجسام ، المسمى التسارع ، يتناسب طرديا مع القوة المطبقة عليها. عامل التناسب هو كتلة الجسم نفسه.

بمعنى آخر ، إذا كان الجسم يتسارع ، فهناك قوة صافية عليه. يتوافق هذا القانون مع القانون الأول ، حيث يكون معدل تغير سرعة الجسم - تسارعه - صفرا عندما لا تكون هناك قوة صافية مطبقة.

أخيرا ، ينص قانون نيوتن الثالث على أن قوى جسمين يعملان على بعضهما البعض متساويتان في الحجم ولكنهما معاكسان في الاتجاه

وغالبا ما يصعب فهم هذا السلوك. على سبيل المثال ، عندما يصطدم جسمان من كتل مختلفة ، غالبا ما يفترض أن الجسم الأكثر ضخامة يمارس قوة أكبر من الجسم الأقل كتلة. ومع ذلك ، فإن القوى متساوية ومعاكسة.

يتم التعبير عن قانون نيوتن الثالث بشكل شائع بعبارة ، "لكل فعل رد فعل متساو ومعاكس". على وجه التحديد ، تسمى القوى بين جسمين متفاعلين "أزواج الفعل والتفاعل" ، والتي تتساوي في الحجم ومتقابلة في الاتجاه.

لكن استجابات الأجسام - أي تسارعها - قد لا تكون متساوية. وذلك لأن التسارع يتناسب عكسيا مع الكتلة وفقا لقانون نيوتن الثاني.

ضع في اعتبارك ما يحدث عندما تصطدم شاحنة كبيرة جدا بسيارة صغيرة جدا. إذا كان الفعل ورد الفعل يشيران إلى قوى التأثير بينهما ، فإن الفعل ينتج عنه بالفعل رد فعل متساو ومعاكس. ولكن بسبب الاختلافات الكبيرة في الكتل بين الشاحنة والسيارة ، فإن تأثيرات هذه القوى مختلفة تماما. تنتعش السيارة بشكل كارثي بينما لا تكاد تغير الشاحنة الأكثر ضخامة مسارها.

والآن بعد أن تم عرض مبادئ قوانين نيوتن للحركة، دعونا نلقي نظرة على سلوك الأجسام المتحركة، ونربط سلوكها بقانون نيوتن الثالث للحركة.

تستخدم التجارب التالية عربتين بعجلات ، تنزلقان على مسار طويل منخفض الاحتكاك.

تم تجهيز كل عربة بمستشعر قوة متصل بواجهة كمبيوتر لتسجيل البيانات. يتم وضع كل مستشعر لضرب مستشعر العربة الأخرى أثناء الاصطدام ، أو لدفع أو سحب مستشعر العربة الأخرى أثناء انزلاقها على المسار.

قبل البدء في تجارب الاصطدام ، يجب إعداد مستشعرات القوة للتأثير وتكوينها لمستوى القوة المتوقع. أولا ، قم بربط المصد المطاطي على مكبس كل مستشعر قوة. حدد موقع مفتاح الانزلاق أعلى مستشعر القوة. اضبط هذا المفتاح على موضع 50 نيوتن لكل مستشعر.

زر "جمع" ، الذي يشبه السهم الأخضر ، في جمع البيانات. قبل كل تجربة ، اضغط على الزر الموجود بجوار هذا السهم الأخضر لتصفير مستشعر القوة.

صفر كل من مستشعرات القوة ثم تحقق منها للتأكد من تحديد الاتجاه الإيجابي لكل منهما إلى اليمين. ادفع المستشعر باستخدام المكبس الذي يشير إلى اليمين. يجب أن تكون قراءة القوة موجبة.

ادفع المستشعر باستخدام المكبس الذي يشير إلى اليسار. يجب أن تكون قراءة القوة سالبة. إذا كانت قراءتا القوة خاطئتين ، فقم بعكس مواضع العربات.

إذا كانت قراءة واحدة فقط خاطئة ، فانتقل إلى قائمة "التجربة" ، وحدد "إعداد المستشعرات". اختر مستشعر القوة المناسب وحدد "الاتجاه العكسي".

بعد تكوين مستشعرات القوة بشكل صحيح ، يكون الجهاز جاهزا للتجربة الأولى ، والتي تستخدم عربات متساوية الكتلة. اختر عربة واحدة لتكون ثابتة في بداية الاختبار.

صفر كل من مستشعرات القوة ثم اضغط على زر "جمع" لبدء تسجيل البيانات. ادفع العربة الأخرى وحررها حتى تنزلق من تلقاء نفسها وتصطدم بالعربة الثابتة.

بعد الاصطدام ، يعرض الكمبيوتر مخططا ل "القوة مقابل الوقت" المسجلة بواسطة كل جهاز استشعار. يجب أن تتراوح مقادير قوة الذروة بين 8 و 20 نيوتن. إذا كانت قوة الذروة خارج هذا النطاق ، فكرر التجربة واضبط مدى قوة دفع العربة.

عندما تصطدم العربات ذات الكتلة المتساوية ، تظهر هذه المؤامرة أن القوى التي يواجهونها متساوية ومعاكسة. نظرا لأن التسارع يساوي القوة مقسومة على الكتلة ، فإن كل عربة تتسارع بنفس الحجم ، ولكن في اتجاهين متعاكسين.

ينطبق قانون نيوتن الثالث للحركة على الاصطدامات فحسب ، بل ينطبق أيضا على جميع المواقف التي يتفاعل فيها كائنان.

ينطبق قانون نيوتن الثالث أيضا على تفاعلات الدفع والسحب بين كائنين. لفحص هذه الظاهرة ، تم تعديل تجربة العربة عن طريق استبدال المصدات المطاطية على مستشعرات القوة بخطافات ، ثم ربط العربات معا. كما تم عكس حالة التشغيل في برنامج جمع البيانات.

عندما دفعت عربات متساوية الكتلة وسحبت الأخرى ، كانت القوى متساوية ومعاكسة ، على الرغم من تغير اتجاه الحركة. عندما تم دفع وسحب عربتين من الكتلة غير المتساوية ، لا تزال الظاهرة صحيحة.

غالبا ما يدرس الفيزيائيون الذين يحاولون فهم تكوين الكواكب الاصطدامات. في هذا المثال ، تم تحضير جزيئات الغبار لمحاكاة الاصطدامات في النظام الشمسي المبكر. تم إسقاط الجسيمات وتسجيل تصادمها.

الجسيمات المتصادمة قوى ضد بعضها البعض ، والتي كانت متساوية في الحجم ومعاكسة في الاتجاه. عندما ظل كلا الجسمين سليمين ، تسببت قوى التأثير في ارتدادهما.