قوانین نیوتن

قوانین نیوتن

بررسي حرکت اجسام و يافتن اينکه چگونه يک حرکت بوجود مي‌آيد ذهن بشر را براي قرنها به خود مشغول کرده بود، اما توفيق چنداني در اين مورد بدست نيامده بود. نيوتن با بهره گيري از هوش سرشار و تلاش بسيار خود با تدوين قوانين حركت که به نام خود او اسم گذاري شده است، توانست قدمهاي بزرگي بردارد و بسياري از مسائل حرکت را با موفقيت زياد حل کند. پيش از گاليه تصور مي‌شد که حتي براي ادامه حرکت يکنواخت اجسام بايد به آنها نيرو وارد کرد.

اين تصور از برداشت غير مو شکافانه حرکت اجسام در زندگي روزمره ناشي مي‌شد. به تجربه ثابت شده بود که اگر از هل دادن صندوقي که روي سطحي افقي با سرعت ثابت حرکت مي‌کند دست بردارند، يعني به آن نيرو وارد نکنند صندوق از حرکت باز مي‌ايستد. گاليله با انجام آزمايش و پس از آن نيز با تعميم ذهني نتايج آزمايش ،‌ نخستين کسي بود که در اين تصور عمومي ترديد کرد. نيوتن که در سال مرگ گاليله به دنيا آمد بررسيهاي دقيق درباره حرکت انجام داد و قوانين حرکت را استخراج کرد.

آزمايش

بنا به تعريف هيچ نيرويي نبايد بر جسم اثر کند اما حداقل نيروي گرانش زمين بر جسم اثر خواهد کرد و نمي‌توان آنرا از ميان برد. با استفاده از وسايل آزمايشگاهي مخصوص مي‌توان شرايطي فراهم کرد که بجز در راستاي قائم حداقل نيروي گرانش کره زمين بر جسم اثر مي‌کند، در کليه جهتهاي افقي تقريبا نيرويي بر جسم اثر نکند در نتيجه به کمک اين وسايل مي‌توان قانون اول نيوتن را در جهت افقي با تجربه آزمود. يکي از وسايل تخت هواست، تخت هوا از محفظه‌اي به شکل مکعب مستطيل ساخته شده است که روي آن تعدادي سوراخ ريز وجود دارد. در هنگام آزمايش بايد سطح آن کاملا افقي باشد هوا با سرعت وارد محفظه شده و از تمام سوراخها خارج مي‌شود.

اگر مهره‌اي روي تخت هوا قرار دهيم لايه نازکي از هوا ميان مهره و سطح تخت هوا تشکيل مي‌شود و تماس نزديک مهره با سطح تخت هوا از ميان مي‌رود. به اين ترتيب اصطکاک ميان مهره و سطح تخت هوا بسيار کوچک مي‌شود. در نتيجه در کليه جهتهاي افقي تقريبا نيروي بر جسم وارد نمي‌شود، اگر به مهره سرعت کمي داده شود تا کناره تخت هوا در امتداد خط مستيقم و با همان سرعت پيش مي‌رود و به اين ترتيب قانون اول نيوتن در جهت افقي با آزمايش تأييد مي‌شود. ملاحظه مي‌شود که حرکت جسم در امتداد خط مستقيم و افقي با سرعت ثابت نيازي به نيرو ندارد.

مدت‌ها بود كه مسأله ارتباط نیرو و حركت امری ناشناخته قلمداد می‌شد، البته از زمان ارسطو تا گالیله نظریاتی در این مورد مطرح شد بود. اما نیوتن ( صاحب عكس مقابل) قوانین خیلی خوبی را در این باره كشف نمود.

از لحاظ وضعیت حركت، یك جسم می‌تواند 3 حالت داشته باشد.

قانون اوّل و دوّم نیوتن، جداگانه به بررسی این 3 حالت می‌پردازد.

قانون اوّل نیوتن

این سنگ چرا ساكن است؟ چرا ضربه زدن به آن كار سختی است؟

آیا تصویر این فضاپیما (از كتاب علوم سوّم راهنمایی) را یادتان هست. فضاپیمایی كه در دور دست، بدون این كه هیچ نیرویی آن را به سمت جلو برده یا جلوی حركت آن را بگیرد، در فضای بیكران در حال حركت است.

چرا تندی فضاپیما ثابت است؟ و چرا در مسیر مستقیم به حركتش ادامه می‌دهد؟

نیوتن بهترین جواب را برای این پرسش‌ها ارائه داد، پاسخ او تحت عنوان قانون اوّل نیوتن ثبت شد: یك جسم در حالت سكون باقی می‌ماند یا به حركت یكنواخت بر خط راست ادامه می‌دهد مگر آن كه نیروی برآیندی به آن وارد گردد و جسم را مجبور به این تغییر حالت‌ها بكند.

قانون لختي

يک کشتي فضايي در فضاي ميان ستاره‌ها و با فاصله بسيار زياد در آنها با هيچ چيزي برهمکنش ندارد. اگر اين کشتي فضايي موتور خود را خاموش کند طبق قانون اول نيوتن در امتداد يک خط راست با سرعت ثابت حرکت مي‌کند و مفهوم قانون لختي اين است که اگر بر جسمي نيرو وارد نشود جسم مايل است وضعيت حرکت خود را حفظ کند. اين خاصيت از اجسام که ميل دارند وضعيت حرکت خود را در غياب نيرو حفظ کنند لختي ناميده مي‌شود. از اينرو قانون اول نيوتن قانون لختي نيز ناميده مي‌شود و چارچوبهاي مرجعي که اين قانون در آنها بکار مي‌رود چارچوبهاي لخت نام دارند، اين چارچوبها نسبت به ستاره‌هاي دور ثابت فرض مي‌شوند.

نتايج قانون اول نيوتن

• در اين قانون تفاوتي ميان جسم ساکن و جسمي که با سرعت ثابت حرکت مي کند وجود ندارد، هر دو حرکت در غياب نيرو طبيعي‌اند، دليل اين امر وقتي روشن مي‌شود که جسم ساکن در يک چارچوب مرجع لخت ، مرجع لخت ديگري که با سرعت ثابت نسبت به اولي حرکت مي‌کند مشاهده کنيم. ناظري که در چارچوب اول قرار دارد جسم را در حال سکون مي‌بينيد و ناظر واقع در چارچوب دوم مي‌بيند که همان جسم با سرعت يکنواخت در حال حرکت است. هر دو ناظر متوجه مي‌شوند که جسم شتاب ندارد يعني سرعت آن تغيير نمي‌کند و هر دو از قانون اول نتيجه مي‌گيرند که هيچ نيرويي بر جسم وارد نمي‌شود.

• ميان نبودن و بودن نيروهايي که برآيندشان صفر است تفاوتي وجود ندارد. مثلا اگر فشار دستها به کتاب نيروي اصطكاك را کاملا خنثي کند کتاب با سرعت يکنواخت حرکت مي‌کند، بنابراين راه ديگر بيان قانون اول اين هست که اگر در مجموع نيرويي بر جسم اثر نکند شتاب آن صفر است.