قوانین سه گانه نیوتن

قانونهای نیوتن از جمله قانونهای اساسی و بنیادی در دانش فیزیک به شمار میروند. این قانونها ، کاربردهای گستردهای در فناوری و غالب رشتههای مهندسی دارند. در صنعت ، امور ساختمانی ، دریانوردی ، فضانوردی و ... اصول حاکم بر پدیدهها از قانونهای نیوتن پیروی میکنند. نیرو عامل تغییر حرکت در اجسام است و قانونهایی که رابطه میان نیرو و کمیتهای مربوطه به حرکت را بیان میکنند، قانونهای حرکت نامیده میشوند. حرکت یک ذره را ماهیت و آرایش اجسام دیگری که محیط ذره را تشکیل میدهند، مشخص میکند. قوانین نیوتن شامل سه قانون است.

مسأله حرکت یکی از موضوعات اصلی فلسفه طبیعی ، یا به اصطلاح امروز فیزیک میباشد. تا زمان گالیله و نیوتن پیشرفت چشمگیری در این زمینه حاصل نشد. نیوتن عقاید گالیله و سایر دانشمندان قبل از خود را کاملا به ثمر رسانید. سه قانون او درباره حرکت ، اولین بار در سال 1686/1065 در کتاب اصول ریاضی فلسفه طبیعی که معمولا به اصول معروف است، منتشر شد. این قوانین را در زیر مرور میکنیم.

قانون اول نیوتن در واقع بیانی است درباره چارچوبهای مرجع ، زیرا بطور کلی شتاب هر جسم بستگی به چارچوب مرجعی دارد که نسبت به آن اندازه گیری میشود. طبق قانون اول اگر هیچ جسمی در نزدیکی یک ذره وجود نداشته باشد، در آن صورت میتوان یک دسته چارچوب مرجع پیدا کرد که این ذره نسبت به آنها شتاب نداشته باشد. اجسام در نبود نیرو ، ساکن هستند، یا حرکت خطی خود را حفظ میکنند.

غالبا با نسبت دادن خاصیتی به ماده که به لختی معروف است، این موارد توصیف میشوند. قانون اول نیوتن را غالبا قانون لختی مینامند و چارچوبهای مرجعی که این قانونها در آنها بکار میرود، چارچوبهای لخت نام دارند. این چارچوبها نسبت به ستارههای دور ثابت فرض میشوند. در قانون اول تفاوتی میان جسم ساکن و جسمی که با سرعت ثابت حرکت میکند، وجود ندارد. در ضمن میان نبودن نیرو و بودن نیروهایی که برآیندشان صفر است، تفاوتی وجود ندارد.

• تعریف قانون اول نیوتن:هر جسم اگر در حال سکون ، یا در حالت حرکت یکنواخت در امتداد خط مستقیم باشد، به همان حال باقی میماند، مگر آنکه در اثر نیروهای خارجی مجبور به تغییر آن حالت شود.

شتاب هر جسم معین یا نیروی وارد بر آن نسبت مستقیم دارد. اگر تمام نیروهای وارد بر جسم F باشد و m جرم جسم باشد و a شتاب برداری باشد، رابطه بیان قانون دوم نیوتن است. قانون اول حرکت ، حالت خاصی از قانون دوم است، زیرا اگر ، به عبارت دیگر اگر نیروی برآیند وارد بر جسم صفر باشد، شتاب آن برابر صفر است.

• تعریف قانون دوم نیوتن :green:اگر به یک جسم نیروهایی وارد شود، شتابی میگیرد که با برآیند نیروهای وارد بر جسم ، نسبت مستقیم دارد و با آن هم جهت است ولی با جرم جسم نسبت وارون دارد.

  violet:هر گاه جسمی به جسم دیگر نیرو وارد کند، جسم دوم به جسم اول نیرویی برابر آن ، ولی در خلاف جهت وارد میکند.~~

برای حل مسألههای دینامیک مراحل زیر را در نظر میگیریم:

• شکل سادهای از جسم و تکیهگاه آن را رسم میکنیم.
• نیروهایی را که اجسام دیگر بر جسم وارد میکنند، روی شکل مشخص میکنیم.
• دستگاه محورهای مختصات مناسبی انتخاب میکنیم.
• نیروها را روی محورهای مختصات تجزیه میکنیم. (مؤلفه هر نیرو روی محور)
• با نوشتن قانون دوم نیوتن روی هر یک از محورها ، شتاب حرکت جسم را روی هر محور محاسبه میکنیم.
• هرگاه چند جسم به هم متصل باشند، در صورتی که بردار شتاب همگی یکسان باشد، مجموعه را میتوان به عنوان یک دستگاه در نظر گرفت و قانون دوم را برای آن نوشت.
• مفهوم اساسی در قانون سوم نیوتن این است که نیروی تک در طبیعت وجود ندارد. هر نیرویی که در محلی سراغ گرفته شود، قطعا نیروی دیگری با همان اندازه و در جهت مخالف آن وجود دارد. یعنی نیروهای موجود در طبیعت همواره بصورت دو تایی هستند، همانطور که تکه چوبی که فقط یک سر داشته باشد وجود ندارد. اگر یکی از این دو نیرو را کنش (عمل) بنامیم نیروی دیگر واکنش (عکس العمل) نامیده میشود. تفاوتی ندارد که کدام نیرو را کنش و کدام نیرو را واکنش بنامیم. در اینجا علت و معلول مورد نظر نیست، بلکه برهمکنش متقابل همزمان مورد توجه است.

  به عنوان مثال همانطور که پای فوتبالیست بر توپ فوتبال نیرو وارد میکند، متقابلا توپ فوتبال نیز بر پای فوتبالیست نیرو وارد میکند (اگر در وجود این نیرو شک دارید، برای یکبار هم که شده به جای توپ با یک آجر فوتبال بازی کنید!). مفهوم برهم دو طرفه بودن است، مثلا نیروی گرانش ، برهمکنش دو جرم بر یکدیگر و نیروی الکتریکی - مغناطیسی برهمکنش دو بار الکتریکی بر یکدیگر است.
  

  فرض کنید که اسبی کالسکهای را میکشد طبق قانون سوم نیوتن کالسکه نیز با همان نیرو اسب را در جهت مخالف میکشد، پس اسب میتواند کالسکه را به حرکت در آورد؟ اشکال این استدلال به این صورت است: اگر میخواهیم بدانیم که آیا اسب میتواند حرکت کند یا نه، باید نیروهای وارد بر اسب را در نظر بگیریم. نیرویی که بر کالسکه وارد میشود هیچ ربطی به این مسأله ندارد.

  اسب به این دلیل میتواند حرکت کند که نیرویی که با سمهایش وارد میکند بزرگتر از نیرویی است که کالسکه با آن اسب را به طرف عقب میکشد و کالسکه به این دلیل به حرکت در میآید که نیرویی که اسب با آن کالسکه را بطرف جلو میکشد بزرگتر از نیروهای اصطکاکی است که کالسکه را به طرف عقب میکشند. برای اینکه بدانید یک جسم حرکت میکند باید نیروهای وارد بر آنرا بررسی کنیم. کنش و واکنش هیچگاه بر یک جسم وارد نمیشود.