فهم قانون نيوتن الثالث: مبدأ الفعل ورد الفعل
ينص قانون نيوتن الثالث للحركة على مبدأ أساسي في الفيزياء: **لكل فعل رد فعل مساوٍ له في القوة ومعاكس له في الاتجاه.**[1] هذا يعني أنه عند تأثير جسم بقوة على جسم آخر، فإن الجسم الثاني سيعكس قوة مساوية في المقدار ومعاكسة في الاتجاه على الجسم الأول. هذا المبدأ يوضح أن القوى لا تتواجد بشكل منعزل، بل تظهر دائمًا في أزواج متفاعلة.
معادلة قانون نيوتن الثالث
يمكن صياغة قانون نيوتن الثالث رياضيًا بواسطة المعادلة التالية:[3]
القوة المؤثرة من الجسم الأول على الثاني = – القوة المؤثرة من الجسم الثاني على الأول
وتُستخدم الرموز الآتية للتعبير عن المعادلة:
ق1 = ــ ق2
حيث:
- ق1: القوة التي يؤثر بها الجسم الأول على الثاني وتقاس بالنيوتن.
- ق2: القوة التي يؤثر بها الجسم الثاني على الأول وتقاس بالنيوتن.
- إشارة السالب: تعبر عن الاتجاه المعاكس لاتجاه القوة الأولى.
أمثلة واقعية على قانون نيوتن الثالث
تُطبق مبادئ قانون نيوتن الثالث في العديد من الظواهر اليومية، من حركتنا على الأرض إلى رحلات الفضاء. إليك بعض الأمثلة:
- المشي: عندما ندفع بأقدامنا على الأرض إلى الخلف، فإن الأرض تُؤثر بدورها بقوة معاكسة تدفعنا إلى الأمام.
- السباحة: عند دفع الماء للخلف بأيدينا وأرجلنا، فإن الماء يدفعنا بقوة معاكسة نحو الأمام.
- الطيور: تستخدم الطيور أجنحتها لدفع الهواء إلى الأسفل، مما يدفعها إلى الأعلى بقوة عكسية.
- طائرات الهليكوبتر: تُحرك شفرات طائرة الهليكوبتر الهواء إلى الأسفل، ليُنتج الهواء قوة عكسية تدفع الطائرة إلى الأعلى.
- حركة قوارب التجديف: عند تحريك المجداف في الماء للخلف، تُنتج قوة معاكسة من الماء تدفع القارب إلى الأمام.
- الصواريخ الفضائية: تُعتمد الصواريخ الفضائية في حركتها على احتراق الوقود في المحرك الذي يُنتج غازات ساخنة تُؤثر على سطح الأرض. تُؤثر الأرض بدورها بقوة معاكسة على الغازات، مما يدفع الصاروخ إلى الأعلى.
- إطلاق النار: عند الضغط على الزناد، تُؤثر قوة دفع على الطلقة إلى الأمام. تُؤثر الطلقة بدورها بقوة معاكسة على المسدس، مما يُحركه نحو الخلف.
حلول رياضية لتوضيح قانون نيوتن الثالث
سوف نناقش بعض الأمثلة الرياضية لتطبيق قانون نيوتن الثالث وفهم مبدأ الفعل ورد الفعل بشكل دقيق:
المثال الأول
ما هي قيمة واتجاه رد فعل الأرض لشخص وزنه 800 نيوتن يقف عليها؟
الحل:
الوزن يُعبّر عن القوة المؤثرة على الجسم بسبب الجاذبية الأرضية، وبالتالي الوزن = القوة. نُطبق قانون نيوتن الثالث: القوة التي يؤثر بها الشخص على الأرض = – القوة التي تؤثر بها الأرض على الشخص. إذن، مقدار قوة دفع الأرض للشخص تساوي أيضًا 800 نيوتن. يكون اتجاه قوة رد الفعل معاكسًا لاتجاه قوة الفعل، وبالتالي سيكون نحو الأعلى، لأن الشخص الواقف يدفع الأرض نحو الأسفل.
المثال الثاني
ما هي قيمة واتجاه رد فعل كرة بيسبول عند صدها بالمضرب بقوة مقدارها 20 نيوتن باتجاه اليمين؟
الحل:
نُطبق قانون نيوتن الثالث: القوة التي يؤثر بها المضرب على الكرة = – القوة التي تؤثر بها الكرة على المضرب. إذن، مقدار قوة رد الفعل تساوي أيضًا 20 نيوتن. يكون اتجاه قوة رد الفعل معاكسًا لاتجاه قوة الفعل، وبالتالي سيكون إلى اليسار، لأن المضرب صد الكرة نحو اليمين.
المثال الثالث
يقوم شخص بتحريك قارب باستخدام مجدافين، فإذا كانت كتلة القارب 100 كيلوغرام وتسارعه نحو الأمام 5 متر/ثانية تربيع، فاحسب القوة التي يبذلها الشخص لتحريك المجداف الواحد.
الحل:
نُطبق قانون نيوتن الثاني للحركة لإيجاد قوة دفع الماء للقارب: القوة = الكتلة * التسارع.
قوة دفع الماء التي يتحرك بفعلها القارب = كتلة القارب * تسارع القارب
القوة = 100 كغ * 5 متر/ثانية تربيع = 500 نيوتن
نُطبق قانون نيوتن الثالث لإيجاد القوة التي يبذلها الشخص على المجدافين: قوة دفع الماء للقارب = – القوة التي يبذلها الشخص على المجدافين. إذن، القوة التي يبذلها الشخص على المجدافين = – 500 نيوتن، حيث تُشير الإشارة السالبة إلى الاتجاه الخلفي (عكس اتجاه حركة القارب).
لذلك، القوة التي يبذلها الشخص لتحريك المجداف الواحد تساوي 500 نيوتن / 2 = 250 نيوتن نحو الخلف.
يُعدّ قانون نيوتن الثالث من القوانين الأساسية في الفيزياء، ويُساعدنا على فهم كيف تتفاعل الأجسام مع بعضها البعض في عالمنا المادي.
ملاحظة: تم حذف الكلمات “موضوع” و “mawdoo3” من النص الأصلي مع المحافظة على المعنى الأصلي والتسلسل المنطقي.
مصادر
- [1] “Newton’s Laws of Motion”,nasa, Retrieved 6/6/2024.
- [2] “Newton’s Third Law of Motion”,physicsclassroom, Retrieved 6/6/2024.
- [3] “Newton’s Third Law”,praxilabs, Retrieved 6/6/2024.
- [4] “Newton’s Third Law of Motion”,geeksforgeeks, Retrieved 6/6/2024.