الأشياء تقاوم التغيير

قانون Newton الأول

جسم في حالة السكون يبقى في حالة السكون، وجسم في الحركة يبقى في الحركة بنفس السرعة وفي نفس الاتجاه — ما لم تؤثر عليه قوة غير متوازنة.

تُسمى هذه الخاصية القصور الذاتي. كل شيء في الكون يقاوم تغيير حركته.

كتاب يجلس على طاولة سيبقى هناك إلى الأبد ما لم يدفعه شيء ما. قرص هوكي ينزلق على جليد بدون احتكاك سينزلق إلى الأبد في خط مستقيم ما لم يوقفه شيء ما.

كان هذا ثوريًا. قبل Newton، كان الناس يعتقدون أن الأجسام تبطئ بشكل طبيعي. أدرك Newton أن التبطيء ليس طبيعيًا — يحدث فقط بسبب قوى مثل الاحتكاك ومقاومة الهواء.

القصور الذاتي في الحياة اليومية

تختبر القصور الذاتي كل يوم

حزام الأمان موجود بسبب القصور الذاتي. عندما تتوقف السيارة فجأة، أنت لا تتوقف مع السيارة — جسدك يستمر في التحرك للأمام بسرعة السيارة الأصلية. حزام الأمان هو القوة غير المتوازنة التي توقفك.

خدعة الفرش تعمل بسبب القصور الذاتي. الأطباق في حالة سكون وتقاوم التحرك. إذا سحبت القماش بسرعة كافية، الاحتكاك لا يملك الوقت لتسريع الأطباق، وتبقى في مكانها.

كرة قدم على الأرض تبقى ثابتة تمامًا حتى يركلها شخص ما. ليس لديها رغبة في التحرك، لا ميل للتحرك. إنها غير مبالية تماما.

القوة تساوي الكتلة في التسارع

قانون Newton الثاني

القوة تساوي الكتلة في التسارع: F = ma

هذه أفيد معادلة في كل الفيزياء. تخبرك بثلاثة أشياء في نفس الوقت:

1. كلما زادت القوة التي تطبقها على جسم، زاد التسارع (التسريع أو الإبطاء أو تغيير الاتجاه).

2. كلما زادت الكتلة في جسم، قل تسارعه بنفس القوة.

3. إذا كنت تعرف أي قيمتين من الثلاث — القوة أو الكتلة أو التسارع — يمكنك حساب الثالثة.

الكتلة هي مقدار المادة في جسم. تُقاس بالكيلوجرام.

التسارع هو مدى سرعة تغير السرعة. يُقاس بالمتر لكل ثانية مربعة (m/s²).

القوة تُقاس بـ Newtons (N) — نعم، الوحدة سُميت على اسمه.

تطبيق F = ma

دفع العربات

فكر في هذا السيناريو: أنت في محل للبقالة. تدفع عربة تسوق فارغة، وتتدحرج بسهولة. ثم تملأ العربة بالبقالة الثقيلة وتدفع بنفس القوة.

لكل فعل رد فعل متساوي ومعاكس

قانون Newton الثالث

لكل فعل، هناك رد فعل متساوي ومعاكس.

هذا يعني أن القوى تأتي دائمًا في أزواج. لا يمكنك أن تدفع دون أن يتم دفعك للخلف.

عندما تمشي، تدفع قدمك للخلف على الأرض، والأرض تدفعك للأمام. هذا الدفع للأمام هو ما يحركك.

عندما يُطلق صاروخ، لا يدفع ضد الأرض أو الهواء. يرمي الغاز الساخن للأسفل بسرعة هائلة، والغاز يدفع الصاروخ بقوة متساوية — للأعلى.

عندما تسبح، تدفع يديك الماء للخلف، والماء يدفعك للأمام.

القوى دائمًا متساوية في الحجم ومعاكسة في الاتجاه. دائمًا.

القفز على الأرض

سؤال محير للعقل

عندما تقفز، تدفع ساقاك الأرض للأسفل. وفقًا لقانون Newton الثالث، الأرض تدفعك للأعلى بقوة متساوية — هذا ما يرفعك في الهواء.

لكن هنا الجزء الغريب: إذا كنت تدفع الأرض بنفس القوة التي تدفعك بها الأرض، فالقوى متساوية. أنت تطير للأعلى. إذاً يجب أن تتحرك الأرض للأسفل.

الجاذبية الكونية

قانون Newton للجاذبية الكونية

أدرك Newton أن نفس القوة التي تجعل التفاحة تسقط من الشجرة هي نفس القوة التي تبقي القمر يدور حول الأرض.

كل جسم له كتلة يجذب كل جسم آخر له كتلة. تعتمد قوة الجذب على شيئين:

1. الكتلة: الأجسام الأكثر ضخامة تجذب بقوة أكبر.

2. المسافة: الأجسام البعيدة تجذب بضعف أكبر. تنخفض القوة مع مربع المسافة — ضعف المسافة يعني ربع الجذب.

الوزن مقابل الكتلة

الكتلة هي مقدار المادة فيك. لا تتغير بغض النظر عن مكان وجودك.

الوزن هو قوة الجاذبية التي تسحبك. يتغير حسب مكان وجودك.

على القمر، لديك نفس الكتلة لكن سدس الوزن، لأن جاذبية القمر أضعف.

لماذا لا يسقط القمر؟

إنه يسقط — باستمرار. لكنه يتحرك جانباً بسرعة كبيرة جداً حتى أنه بحلول الوقت الذي يسقط فيه قليلاً، سطح الأرض ينحني بعيداً تحته. يستمر في السقوط ويستمر في الإخفاق. هذا ما هو المدار: السقوط والإخفاق في الأرض للأبد.

بلا وزن لكن ليس بلا جاذبية

لغز محطة الفضاء

رواد الفضاء في محطة الفضاء الدولية يطفون كما لو أنهم بلا وزن. ربما رأيت مقاطع الفيديو — يتدحرجون، الماء يشكل كرات طافية، ولا شيء يسقط.

هنا الحقيقة المفاجئة: محطة الفضاء الدولية تدور على بعد حوالي 400 كم فوق الأرض. على هذا الارتفاع، الجاذبية لا تزال قوية بحوالي 90٪ مما هي عليه على السطح.

قوانين Newton في العالم الحقيقي

القوى في الهندسة والرياضة

كل هيكل ومركبة ورياضة على الأرض تطيع قوانين Newton.

الجسور يجب أن توازن كل القوى لتبقى ثابتة (القانون الأول). يحسب المهندسون وزن حركة المرور (القانون الثاني) ويتأكدون من أن كل دعامة تدفع بقوة متساوية (القانون الثالث).

الصواريخ تعمل بشكل بحت بالقانون الثالث — رمي الكتلة في اتجاه واحد للتسارع في الاتجاه الآخر. لا توجد هواء لتدفعه ضده في الفضاء. العادم ينزل؛ الصاروخ يصعد.

الرياضات هي فيزياء مطبقة. مضرب البيسبول ينقل القوة لكرة (القانون الثاني). عداء السرعة يدفع للخلف على كتل البداية والكتل تدفعه للأمام (القانون الثالث). قرص الهوكي ينزلق عبر الجليد مع احتكاك قليل جداً، موضحاً القانون الأول.

كل مرة يصمم فيها مهندس سيارة أو جسراً أو مركبة فضاء، هم يحلون معادلات Newton.

الفيزياء في رياضتك المفضلة

دورك

الآن طبق ما تعلمته.