قوانين الحركة : الجزء الأول : مفهوم القوة , قانون نيوتن الأول

مقدمة :

مفهوم القوة :

كل شخص لديه " فهم " أساسي لهذا المفهوم : القوة , من خلال تجارب الحياة اليومية .  عندما تدفع بكتابك جانبًا, أو تركل الكرة ,فأنت في الحالتين تؤثر عليهما بقوة معينة . في المثالين السابقين ارتبطت كلمة " قوة " بالنشاط العضلي و بتغير سرعة الجسم الذي أثرت عليه القوة .

 القوى لا تسبب الحركة دائمًا , فمثلًا , أثناء جلوسك لقراءة هذا المقال , فإن قوة الجاذبية تؤثر عليك , و مع هذا تظل ساكنًا . و مثال آخر , يمكنك أن تدفع " تؤثر بقوة " على حائط كبير و لا تستطيع أن تحركه .

ما هي القوة التي تسبب دوران القمر حول الأرض؟ 

أجاب إسحاق نيوتن عن هذا السؤال , و أسئلة أخرى . حيث ذكر أن

 القوى هي : 

ما يسبب تغيرًا في سرعة الجسم .

 لذلك , إذا تحرك الجسم بسرعة منتظمة – ثابتة - ,  في هذه الحالة لن تكون هناك قوة مطلوبة للحفاظ على هذه الحركة المنتظمة . إن سرعة القمر حول الأرض ليست سرعة منتظمة , لأنه يدور في مدار شبه دائري حول الأرض . ونحن الآن نعلم أن تغير سرعة القمر سببه القوة التي تؤثر بها الأرض عليه . و لأن القوة هي فقط ما يسبب تغير السرعة , يمكننا أن تفكر في القوة على أنها تسبب تسارع الجسم " أي حركة الجسم بعجلة acceleration  .

            ماذا يحدث عندما تؤثر عدة قوى على جسم في نفس اللحظة ؟ 

في هذه الحالة فإن الجسم سيتسارع فقط إذا كانت القوة الصافية لا تساوي الصفر  . أحيانًا نشير إلى  القوة الصافية بكلمة " القوة الكلية " أو " محصلة القوى " أو " القوة غير المتوازنة " . بالتالي إذا كانت محصلة القوى المؤثرة على جسم تساوي الصفر , فإن تسارعه يساوي الصفر , و تظل سرعته ثابتة " منتظمة " . أما إذا كان هذا الجسم ساكنًا فطبعًا سيظل ساكنًا !

 و هذا هو قانون نيوتن الأول .

في غياب قوة محصلة مؤثرة على الجسم، سيظل الجسم الساكن ساكناً؛ و يظل الجسم المتحرك متحركا بسرعة ثابتة..اي لا تزيد أو تنقص سرعته.

            يمكننا أن نصنف القوى إلى نوعين : قوى اتصال Contact forces و قوى مجال field forces

كما يتضح من الشكل التالي:

العلماء الأوائل , و من بينهم نيوتن , كانوا غير مرتاحين لفكرة أن القوة يمكن أن    تؤثر بين جسمين منقطعين  disconnected objects-

و للتغلب على هذه المشكلة , قدم مايكل فاراداي Michael Faraday (1791–1867) مفهوم المجال field. وفقًا لفاراداي , فعند وضع جسم  1 عند نقطة " س " بالقرب من جسم آخر 2 , فإننا نقول أن الجسم 1 يتفاعل interacts مع الجسم 2 استنادًا إلى مجال الجاذبية gravitational field الموجود عند النقطة "س " . و في الحقيقة , فإن كل الأجسام المادية "تخلق" حولها مجال جاذبية في الفضاء المحيط بهم . 

إن القوى الأساسية الموجودة في الطبيعة هي قوى مجال :

1 قوى الجاذبية gravitational forces 

2 القوة الكهرومغناطيسية electromagnetic forces 

3 القوة النووية الشديدة strong nuclear forces 

4 القوة النووية الضعيفة weak nuclear forces   .

قانون نيوتن الأول و هياكل الإسناد 

نص القانون : " في غياب قوى محصلة خارجية , يظل الجسم الساكن ساكنًا و يظل الجسم المتحرك متحركًا بسرعة منتظمة في خط مستقيم "

In the absence of external forces, an object at rest remains at rest and an object

in motion continues in motion with a constant velocity in a straight line

أي أنه في غياب القوى المؤثرة ستكون العجلة مساوية للصفر .

إن ميل الجسم لمقاومة أي محاولة لتغيير سرعته تدعى بالقصور الذاتي لهذا الجسم -

the inertia of the object .

مثال توضيحي لقانون نيوتن الأول :

افترض كتابًا على المنضدة . من الواضح أن هذا الكتاب سيظل ساكنًا . و الآن تخيل أنك تدفع هذا الكتاب بقوة أفقية horizontal force كبيرة بما يكفي للتغلب على قوة الاحتكاك force of friction بين الكتاب و المنضدة , في هذه الحالة يمكنك أن تحتفظ بالكتاب متحركًا بسرعة ثابتة بتطبيق قوة مساوية لقوة الاحتكاك . و لو دفعت الكتاب بقوة أكبر من قوة الاحتكاك سيتسارع الكتاب – تزيد سرعته – و لو توقفت عن دفع الكتاب بهذه القوة الأكبر من قوة الاحتكاك , سيتوقف الكتاب , و لكن بعد أن يقطع مسافة قصيرة ؛ و ذلك لأن قوة الاحتكاك تعوق من استمراره في الحركة . و الآن تخيل أن سطح المنضدة عديم الاحتكاك frictionless  , في هذه الحالة , بمجرد أن يبدأ الكتاب في الحركة سيظل متحركًا للأبد – بافتراض أن المنضدة لها طول لا نهائي ! - .

في الحقيقة فإن جاليليو  - Galileo - سبق نيوتن , حيث قال :

 " إن أي سرعة تمنح للجسم ستظل ثابتة طالما تم غياب القوى الخارجية المعوقة لحركته  "

. و هذا نص كلامه :

 Any velocity once imparted to a moving body will be rigidly maintained as long as the external causes of retardation are removed.