قوانین حرکت نیوتن

قوانین حرکت نیوتن (Newton’s laws of motion)، سه اصل بسیار مهم درباره‌ی نیروهای وارد بر یک جسم و حرکت آن است. نیوتن با بیان و فرموله کردن این سه اصل، درک بشر را از قانون‌های طبیعی حاکم بر حرکت اجسام، دگرگون ساخت. قوانین حرکت نیوتن، او را به عنوان دانشمند هزاره به جهان معرفی ساخت.

همه ما مجبوریم؛ این سه قانون را در کتاب‌های فیزیک دبیرستان بیاموزیم و مساله‌ها و تست‌های زیادی هم از این سه قانون حل و تحلیل کنیم؛ در حالی که به ندرت پیش می‌آید، که در کتاب‌ها و کلاس‌های درس، درک عمیقی از پیامدهای قانونهای حرکت نیوتن ارایه شود. پس بیایید اینجا با شناخت 3 قانون حرکت نیوتن، کمی بیشتر در دنیای اطراف و زندگی روزمره‌مان کاوش کنیم، تا به درک عمیق و کاربردی‌تری از قوانین حرکت نیوتن، دست پیدا کنیم.

قوانین حرکت نیوتن؛ قانون اول نیوتن

«وقتی از نیوتن پرسیدند؛ چگونه توانسته است به این کشف‌های فراوان نایل شود؟ پاسخ داد که او راه‌حل مسئله‌های خود را با جرقه‌های ناگهانی به دست نیاورده است؛ بلکه با تفکر مداوم و سخت موفق به کشف آنها شده است». این را «پل‌ جی. هیوئیت» در کتاب «فیزیک مفهومی» نگاشته است. پس بنابر گفته‌ خود نیوتن، قانون اول حرکت هم با وحی الهی به او نازل نشده است.

نیوتن برای بیان قانون اول حرکت، از آزمایش‌هایی که گالیله روی سطح شیب‌دار انجام داده بود و نظریه او در این زمینه کمک گرفت. گالیله با آزمایش‌های پرتکراری که بر روی سطح شیب‌دار انجام داد؛ نظریه ارسطو را که معتقد بود؛ جسم به نیرو برای تدوام حرکت خود نیاز دارد؛ دگرگون ساخت.

گالیله از آزمایش‌های خود این‌چنین نتیجه گرفت، که اگر مانع یا نیروی مقاومی، بر سر راه حرکت جسم در حال حرکت وجود نداشته باشد (نبود اصطکاک)، جسم بدون حضور نیرو هم قادر خواهد بود؛ به حرکت بر خط راست خود ادامه دهد. گالیله این مقاومت اجسام در برابر تغییر حرکت را «لختی» نامید.

نیوتن چند سال بعد، نظریه‌ی گالیله را بهبود بخشید و آن را در کتاب خود به شکل قانون اول حرکت، این‌گونه بیان کرد:

حالت سکون یا حرکت یکنواخت در خط راست هر جسم تداوم می‌یابد؛ مگر آنکه تحت تاثیر نیروهایی که بر آن وارد می‌شود مجبور به تغییر آن حالت شود.

آن‌چه در این قانون دارای اهمیت است؛ تداوم است. تداومِ ماندن در حال سکون و یا ادامه حرکت با سرعت ثابت، در نبود نیروی خالص وارد بر جسم.

قانون اول حرکت نیوتن و کاربردهای آن در زندگی روزمره:

پیامدهای قانون اول حرکت نیوتن را می‌توان در بسیاری از رویدادهای طبیعی‌ و زندگی روزمره‌مان مشاهده کرد. در اینجا به بررسی برخی از این پیامدها می‌پردازیم:

1. سکون اجسام؛ همین حالا اگر نگاهی به اطرافتان بیاندازید، اجسام بسیاری را مشاهده می‌کنید که در جای خود ساکن‌اند. کتاب‌های کتابخانه، گلدان‌ها، تلویزیون، وسایل داخل کابینت آشپزخانه، تابلوهای روی دیوار، فرش، مبل و میز ناهارخوری همه تا زمانی که نیرویی به آنها وارد نشود، حالت سکون و تعادل خود را  حفظ می‌کنند.
2. پرتاب شدن سرنشینان خودرو به سمت جلو هنگام ترمز ماشین؛ حرکت به سمت جلو هنگام ترمز گرفتن ماشین، تجربه‌ی آشنا و پرتکراری برای همه‌ ما است. طبق قانون اول نیوتن، در ترمز ناگهانی، نیرویی به ماشین در خلاف جهت حرکت آن وارد می‌شود که این نیرو به سرنشینان خودرو وارد نمی‌شود. بنابراین راننده و دیگر مسافران بر خلاف حرکت خودرو، تمایل دارند به حرکت رو به جلوی خود ادامه‌ دهند. پس به سمت جلو پرتاب می‌شوند. در ترمزهای ناگهانی قطارهای مترو هم بارها شاهد این پیامد از قانون اول نیوتن بوده‌ایم که جمعیت ایستاده در قطار یکباره به سمت جلو پرتاب می‌شوند.
3. فرو رفتن در صندلی هنگام روشن شدن یا افزایش سرعت ناگهانی خودرو؛ تجربه‌ دیگر، هنگام استارت خوردن اتومبیل یا افزایش ناگهانی سرعت خودرو اتفاق می‌افتد. سرنشینان خودرو که ساکن در خودرو هستند، برآیند نیروی خالص بَرشان صفر است، با استارت خوردن خودرو، نیروی به سمت جلو به اتومبیل وارد می‌شود. با حرکت خودرو به سمت جلو، سرنشینان طبق قانون اول نیوتن تمایل به حفظ حالت سکون خود دارند، بنابراین به سمت صندلی و عقب (یعنی سر جای اولشان) کشیده می‌شوند.
4. ادامه دویدن دونده‌های ماراتن پس از عبور از خط پایان؛ اگر مشاهده‌گر مسابقات دو بوده باشید، دیده‌اید که دونده‌های دو ماراتن بعد از عبور از خط پایان، چند متر دیگر می‌دوند و بعد می‌ایستند. باز هم پای قانون اول نیوتن و لختی در میان است. بدن در برابر توقف ناگهانی حرکت مقاومت می‌کند و تمایل دارد به حرکت خود به سمت جلو ادامه دهد. پس باید دونده آرام آرام سرعت خود را کاهش دهد و بعد متوقف شود. بنابراین چند متر فراتر از خط پایان هم می‌دود.
5. پیاده شدن از خودرو در حال حرکت؛ اگر پیش از آنکه خودرویی متوقف شود از آن پیاده شوید، ناگزیر چند متری را با سرعت به سمت جلو خواهید دوید. زیرا بدن شما در برابر تغییر ناگهانی سرعت مقاومت می‌کند و تمایل دارد با سرعتی که همراه خودرو داشت به حرکت خود به سمت جلو ادامه دهد. اگر سرعت خودرو زیاد باشد، احتمال پرتاب شدن و آسیب دیدن شما زیاد خواهد بود.
6. دور خشک‌کن ماشین لباسشویی؛ زمانی که ماشین لباسشویی روی دور خشک کردن می‌افتد نیروی به لباس‌ها وارد می‌شود که سبب می‌شود با دور زیاد شروع به چرخیدن کنند. این نیرو به قطرات آب درون لباس‌ها وارد نمی‌شود. بنابرین قطره‌های آب موجود درون لباس تمایل دارند تا حالت سکون خود را حفظ کنند، بنابراین با چرخش لباس و تحت تاثیر نیروی گرانش از سوراخ‌های سطل ماشین خارج می‌شوند.
7. تکان دادن یک درخت برای افتادن میوه‌های آن؛ احتمالاً این تجربه را داشته یا دیده‌اید که برای جدا کردن میوه‌های یک درخت آن را تکان می‌دهند. افتادن میوه یا برگ‌ها از درخت بواسطه‌ تکان دادن، از پیامدهای دیگر قانون اول نیوتن است. تکان دادن به درخت نیرویی وارد می‌کند، میوه و برگ‌های درخت که این نیرو به آنها وارد نشده است، تحت تاثیر نیروی گرانش زمین و تمایل به حفظ حالت اولیه‌ خود به سمت پایین سقوط می‌کنند.
8. گردگیری فرش؛ برای تکان دادن ذرات گرد و غبار از روی فرش، معمولاً آن را از تکیه‌گاهی آویزان می‌کنند و با قطعه‌ای چوب محکم به فرش می‌کوبند. این کوبش نیروی به فرش وارد می‌کند و آن را به سمت جلو و عقب به حرکت در‌می‌آورد. ذرات گرد و غبار درون فرش که طبق قانون اول نیوتن تمایل به حفظ حالت سکون خود دارند، در هوا می‌مانند و یا تحت تاثیر نیروی گرانش زمین، به سمت زمین حرکت می‌کنند.
9. ورزشکاری که یک دوی کوتاه قبل از پرش انجام می‌دهد؛ ورزشکارانی که قصد پرش طول یا ارتفاع را دارند، مسافت کوتاهی را قبل از پرش می‌دوند. این دویدن کوتاه بدن ورزشکار را آماده می‌کند و حرکت را در آن حفظ می‌کند. این تمایل به حفظ حرکت طبق قانون اول نیوتن به ورزشکار کمک می‌کند تا پرش نرمی را انجام دهد.
10. خارج کردن سس از انتهای بطری؛ وقتی تنها مقداری از سس در ته بطری باقی مانده است، برای بیرون آوردن سس از ته بطری، اغلب آن را وارونه می‌کنند و با سرعت زیاد به سمت پایین می‌رانند و سپس به طور ناگهانی آن را متوقف می‌کنند. این کار سبب می‌شود مقدار سسی که در ته ظرف مانده بود به علت لختی به سمت دهانه‌ی بطری حرکت کند.
11. پرتاب به جلو هنگام برخورد اسب به مانع؛ در ورزش اسب‌دوانی، اگر اسب در حال حرکت و دویدن به مانعی برخورد کند، اسب سوار از روی اسب به سمت جلو پرتاب می‌شود. برخورد اسب با مانع، نیروی به اسب جهت متوقف ساختن او وارد ساخته است. اسب سوار که این نیرو را دریافت نکرده، تمایل به حفظ و ادامه حرکت خود با همان سرعت پیشین اسب دارد، بنابراین به سمت جلو پرتاب می‌شود.
12. ادامه‌ی حرکت پره‌های پنکه بعد از خاموشی؛ وقتی پنکه یا فن را خاموش می‌کنید، مشاهده می‌کنید که پره‌های آن تا چند لحظه بعد از خاموشی هم حرکت می‌کنند. این هم از پیامدهای قانون اول نیوتن و تمایل پره‌های پنکه برای حفظ حالت پیشین خود است.
13. سقوط اجسام روی داشبورد خودرو هنگام تغییر سرعت ناگهانی؛ اگر راننده به طور ناگهانی پا روی ترمز یا پدال گاز برای تغییر سرعت خودرو بگذارد، به خودرو نیرویی در جهت یا خلاف جهت حرکت وارد می‌کند. این نیرو به اجسام درون خودرو و وسایل روی داشبورد وارد نمی‌شود. در نتیجه آنها تمایل به حفظ حالت سکون خود را دارند و با تغییر سرعت ناگهانی خودرو تحت تاثیر نیروی جاذبه به پایین پرت می‌شوند.
14. جدا کردن دستمال توالت از رول آن؛ برای جدا کردن دستمال توالت از رول آن، اگر آن را با سرعت بکشید، می‌توانید به راحتی دستمال را جدا کنید. زیرا در حرکت ناگهانی نیروی دست شما تنها به قست جلویی دستمال وارد می‌شود و رول دستمال چون نیروی خالصی دریافت نکرده است، تمایل به حفظ حالت سکون خود دارد. بدین ترتیب یکه تکه از دستمال به راحتی جدا می‌شود.
15. استمرار حرکت سفینه بعد از جدا شدن از موشک در فضا؛ موشک می‌تواند با وارد کردن نیرو، سفینه‌ای فضایی را به بیرون از زمین منتقل کند. پس از جدا شدن سفینه از موشک، طبق قانون اول نیوتن، سفینه در نبود نیروهای گرانش و مقاومت در فضا با همان سرعت موشک به حرکت خود ادامه می‌هد.

قوانین حرکت نیوتن؛ قانون دوم نیوتن

در بررسی حرکت بر خط راست دیدیم؛ برای ایجاد شتاب بایستی سرعت تغییر کند. توپ ساکنی را در نظر بگیرید که با زدن ضربه‌ا‌ی شروع به حرکت می‌کند و سرعت آن تغییر می‌کند. در نتیجه حرکت توپ شتابدار می‌شود. شتاب نتیجه اعمال نیرو است. البته نیروی وارد بر اجسام تنها محدود به نیروهای تماسی نمی‌شود. نیروهای دیگری نیز بر اجسام وارد می‌شود. مجموع نیروهای وارد بر جسم برابر یک نیروی خالص است. شتاب حرکت اجسام به این نیروی خالص بستگی دارد. برای افزایش یا کاهش شتاب باید نیروی خالص وارد بر آن را تغییر داد. تجربه و آزمایش نشان می‌دهد نیروی خالص وارد بر اجسام با شتاب جسم رابطه‌ مستقیم دارد و با آن هم‌جهت است.

شتاب جسم علاوه بر نیروی خالص وارد بر جسم به لختی جسم نیز بستگی دارد. لختی در واقع همان مقاومت جسم در برابر حرکت است که به مقدار ماده موجود در جسم، یعنی جرم آن بستگی دارد. با افزایش جرم، مقاومت جسم در برابر حرکت افزایش می‌یابد. در نتیجه شتاب جسم کاهش می‌یابد.

نیوتن با زیرکی و نگاه تیزبین خود به طبیعت، رابطه میان نیرو، شتاب و جرم را به دست آورد و آن را به عنوان قانون دوم حرکت خود پیشنهاد کرد. قانون دوم نیوتن این‌گونه بیان می‌شود:

شتاب هر جسم با نیروی خالص وارد بر آن نسبت مستقیم دارد و با آن هم جهت است؛ و با جرم جسم نسبت وارون دارد.

اگر نیروی خالص در جهت حرکت بر جسم وارد جسم، سبب افزایس سرعت متحرک می‌شود؛ و اگر نیروی خالص در خلاف جهت حرکت بر جسم وارد شود، حرکت جسم را کند و سرعت آن را کاهش می‌دهد. شتاب همواره در جهت نیروی خالص وارد بر جسم است.

پیامدها و کاربردهای قانون دوم نیوتن در زندگی روزمره

• هل دادن ماشین و کامیون؛ قانون دوم حرکت نیوتن را می‌توان با مقایسه شتاب تولید شده در یک ماشین و یک کامیون پس از اعمال نیروی یکسان به هر دو مشاهده کرد. به راحتی می‌توان متوجه شد که پس از هل دادن یک ماشین و یک کامیون با نیروی یکسان، شتاب خودرو بیشتر از کامیون است. این به این دلیل است که جرم ماشین کمتر از جرم کامیون است.
• دو نفر با هم راه می‌روند؛ دو نفر با جرم متفاوت را در نظر بگیرید که با هم راه می‌روند. با توجه به رابطه بین جرم و شتاب، فردی که جرم بیشتری دارد کندتر حرکت می کند و فردی که جرم کمتری دارد سریعتر حرکت می‌کند. این سناریو قانون دوم حرکت نیوتن را در زندگی واقعی با برقراری رابطه‌ای بین جرم، شتاب و نیرو توجیه می‌کند.
• تصادف اتومبیل؛ در هنگام تصادف خودرو، نیرویی بین مانع و خودرو وجود دارد که به نیروی ضربه معروف است. بزرگی نیروی ضربه به جرم اجسام درگیر در برخورد و سرعت حرکت اجسام بستگی دارد. این بدان معناست که هر چه جرم اجسام درگیر در برخورد بیشتر باشد، شدت نیروی ضربه بیشتر خواهد بود. به همین ترتیب، هر چه شتاب حرکت خودرو بیشتر باشد، قدرت ضربه بیشتر خواهد بود.
• سقوط اجسام؛ هنگامی که جسمی از ارتفاع معینی پرتاب می‌شود، نیروی گرانشی زمین به آن کمک می‌کند تا با افزایش سرعت به سمت زمین شتاب بگیرد. هرچه ارتفاع پرتاب و سقوط بیشتر باشد، تغییر سرعت و در نتیجه شتاب نیز بیشتر خواهد بود. طبق قانون دوم حرکت نیوتن، شتاب ایجاد شده توسط یک جسم با نیرو نسبت مستقیم دارد. بنابراین هنگام برخورد جسم به زمین نیروی ضربه‌ای زیادی به جسم وارد می‌شود. حال اگر دو جسم با جرم‌های متفاوت از یک ارتفاع یکسان سقوط کنند، جسم با جرم بیشتر، شتاب بیشتری می‌گیرد و در نتیجه هنگام برخورد با زمین نیروی خالص بیشتری را تجربه می‌کند.
• بازیکن کاراته و شکستن تخته آجر؛ یک کاراته‌باز از قانون دوم حرکت برای شکستن یک تخته آجر استفاده می‌کند. از آنجایی که طبق قانون، نیرو متناسب با شتاب است، بازیکن تمایل دارد دستان خود را به سرعت روی آجر حرکت دهد. این کار به او کمک می‌کند تا  دستش شتاب بگیرد و مقدار متناسبی نیرو تولید کند. این نیرو نیرو برای شکستن آجرها کافی است.
• ماشین مسابقه؛ در هنگام طراحی یک ماشین مسابقه، تمایل نهایی مهندسان به کاهش جرم وسیله نقلیه است. این به این دلیل است که طبق قانون دوم حرکت نیوتن، جرم یک جسم با شتاب رابطه معکوس دارد. با کاهش جرم ماشین مسابقه، می‌توان شتاب را به میزان قابل توجهی افزایش داد و در نتیجه شانس برنده شدن در مسابقه را افزایش داد.
• در باز کردن؛ وقتی دری را باز می‌کنیم، بسته به ماده‌ای که با آن ساخته شده است، باید نیرویی متناسب اعمال کنیم. طبق قانون دوم نیوتن هر چه در سنگین‌تر و دارای جرم بیشتری باشد، لختی آن بیشتر خواهد بود و با اعمال نیرویی معین شتاب کمی می‌گیرد.
• دوچرخه سواری؛ طبق قانون دوم نیوتن، شتاب دوچرخه به نیروی وارد شده و جرم دوچرخه سوار و دوچرخه بستگی دارد. بنابراین تلاش می‌شود دوچرخه‌ها از مواد سبک‌تری ساخته شوند. بیشتر دوچخه سواران نیز لاغر و دارای جرم کمی هستند. کاهش جرم به دوچرخه سوار این امکان را می‌دهد که با وارد کردن نیرویی معین، طبق قانون دوم نیوتن شتاب بیشتری بگیرد.

قوانین حرکت نیوتن؛ قانون سوم نیوتن

نیروهایی که در قانون اول و دوم نیوتن بررس کردیم، بیشتر به شکل نیروهای کششی یا فشاری بودند. اما نکته مهم این است که هیچ نیرویی هرگز به تنهایی وجود ندارد. همین حالا که روی صندلی نشسته‌اید و این مقاله را می‌خوانید، نیروی به صندلی به سمت پایین وارد می‌کنید و همزمان صندلی هم نیروی به همان اندازه و به سمت بالا به شما وارد می‌کند. درگیرودار شما و صندلی، زمین هم نیروی به شما و صندلی به سمت پایین وارد می‌کند. و شما در حین درگیری با صندلی همزمان با هم نیروی به زمین به سمت بالا وارد می‌کنید.

یا شاید این تجربه را داشته‌اید که هنگام راه رفتن، پایتان به مانعی برخورد کند و درد بگیرد. پای شما در برهمکنش با مانع به آن نیرو وارد کرده است و در مقابل مانع هم به پای شما نیروی دردآوری وارد کرده است. در حقیقت هر نیرو بخشی از برهمکنش بین یک چیز و چیز دیگر است. هیچ نیرویی به تنهایی وجود ندارد. در هر برهمکنشی بین دو جسم، زوج نیرویی وجود دارد که بر هر جسم جداگانه وارد می‌شود. مشاهده‌های چنین تجربه‌های نیوتون را به سمت بیان قانون سوم خودش هدایت کرد.

قانون سوم نیوتن چنین می‌گوید:

هرگاه جسمی بر جسم دیگری نیرو وارد کند، جسم دوم نیز نیرویی برابر ولی خلاف جهت بر جسم اول وارد می‌کند.

یکی از نیروها را کنش و دیگری را واکنش می‌نامیم. اندازه‌ی نیروی کنش با نیروی واکنش برابر ولی خلاف جهت یکدیگرند. مهم نیست کدام نیرو کنش و کدام نیرو واکنش است، مهم این است که هر دو اجزای یک برهم‌کنش‌اند.

تجربه‌هایی از قانون سوم نیوتن در زندگی روزمره و طبیعت

1. وقتی به دیواری تکیه می‌دهید، نیرویی به آن وارد می‌کنید. دیوار نیز همزمان نیرویی مساوی و در جهت مخالف بر شما وارد می‌کند. همین امر سبب می‌شود که شما نیافتید.
2. در راه رفتن هم زوج نیروها دخیل‌اند. وقتی پا را روی زمین فشار می‌دهیم نیرویی به زمین به سمت عقب وارد می‌کنیم، همزمان زمین هم به پای ما نیروی به سمت جلو وارد می‌کند و اسباب راه رفتن ما را فراهم می‌کند.
3. در شنا کردن، دست‌ها آب را به عقب هل می‌دهند و آب نیز طبق قانون سوم نیوتن بدن را به جلو می‌راند. آب و بدن به یکدیگر نیرو وارد می‌کنند.
4. با استفاده از قانون سوم نیوتن، می‌توان درک کرد که بالگرد چگونه نیروی بالابر خود را به دست می‌آورد. تیغه‌های چرخان طوری طراحی شده‌اند که ذرات هوا را پایین برانند (کنش) و هوا تیغه‌ها را بالا براند (واکنش).
5. پرندگان با فشار دادن هوا به پایین پرواز می‌کنند. در مقابل نیرویی که پرندگان به هوا به سمت پایین وارد می‌کنند، نیروی واکنشی از طرف هوا به سمت بالا به پرنده وارد می‌شود.
6. ماهی در آب وقتی می‌توانند شنا کنند که به قانون سوم نیوتن متوسل شوند. آنها آب را با بالهایشان به عقب می‌رانند، واکنش این نیرو از طرف آب، ماهی‌ها را به سمت جلو حرکت می‌دهد.
7. باد به شاخه‌های درختان نیرو وارد می‌کند، طبق قانون سوم نیوتن شاخه‌های درختان نیز بر باد نیرو وارد می‌کنند.صداهای سوت مانندی که از لای شاخ و برگ به گوش می‌رسد، نتیجه جفت نیروهای قانون سوم نیوتن است.

خلاصه اینکه نمی‌توانید بدون لمس کردن لمس شوید. این نتیجه قانون سوم نیوتن است.

سر آیزاک نیوتن در سال ۱۶۸۷ در کتاب خود با عنوان «اصول ریاضی فلسفه طبیعی» (پرینکیپیا) سه قانون حرکت را معرفی کرد. نیوتن در این کتاب همچنین به نظریه گرانش هم پرداخت. قوانین حرکت نیوتن رابطه بین حرکت جسم و نیروهای وارد بر آن را بیان می‌کنند. این قوانین اساس مکانیک نیوتنی را تشکیل می‌دهند. قانونهای حرکت نیوتن به ما کمک می‌کنند، تا درک کنیم که اجسام هنگام سکون، هنگام حرکت و زمانی که نیروهایی بر آن‌ها وارد می‌شود، چگونه رفتار می‌کنند.