استخدامات عملية لقوانين نيوتن

أهم الاستخدامات لقوانين نيوتن في حياتنا

قام العالم إسحاق نيوتن بوضع الأسس الرئيسية لعلم الميكانيكا، والتي عُرفت باسم قوانين نيوتن للحركة. لقد قدم نيوتن إسهامات جمة للبشرية، ولا تزال قوانينه تشكل حجر الزاوية في فهمنا للحركة والقوى. تتجلى تطبيقات هذه القوانين في جوانب متعددة من حياتنا اليومية، مما يؤكد أهميتها البالغة. فيما يلي، نستعرض بعضًا من أبرز هذه الاستخدامات:

الصاروخ

يعتبر إطلاق الصاروخ مثالًا واضحًا على تطبيق قانون نيوتن الثالث. تعتمد آلية عمل الصاروخ على فكرة بسيطة: عندما يندفع الغاز الساخن بقوة إلى الأسفل نتيجة عملية الاحتراق، يتولد رد فعل مساوٍ ومعاكس في الاتجاه، يدفع الصاروخ إلى الأعلى بسرعة فائقة.

تتم عملية إطلاق الصاروخ عن طريق حرق الوقود داخل محرك الصاروخ، مما يؤدي إلى إنتاج كمية كبيرة من الغازات الساخنة. تتمدد هذه الغازات بسرعة بسبب ارتفاع درجة حرارتها، ثم تندفع عبر فوهة ضيقة في الجزء السفلي من الصاروخ. هذه العملية تخلق قوة دفع هائلة تدفع الصاروخ في الاتجاه المعاكس.

مظلات الهبوط

عندما يسقط جسم ما تحت تأثير الجاذبية الأرضية، فإنه يتسارع باستمرار، مما يعني أن سرعته تزداد بشكل متواصل. ومع ذلك، فإن مقاومة الهواء تعمل كقوة معاكسة لوزن الجسم، مما يقلل من القوة المحصلة المؤثرة على الجسم وبالتالي يقلل من تسارعه. تعتمد قوة مقاومة الهواء على شكل الجسم ومساحة سطحه. هناك علاقة طردية بين سرعة الجسم الساقط والقوة المحصلة، بمعنى أنه كلما زادت سرعة الجسم، قلت القوة المحصلة المؤثرة عليه.

يستمر التسارع في التناقص حتى يصل إلى الصفر، ويحدث ذلك عندما يتساوى وزن الجسم مع قوة مقاومة الهواء. في هذه الحالة، يتحرك الجسم بسرعة ثابتة أثناء سقوطه، وتُعرف هذه السرعة بالسرعة النهائية أو السرعة الحدية.

تعتبر مظلات الهبوط مثالًا عمليًا على هذه المبادئ. تعمل المظلة على زيادة مقاومة الهواء بشكل كبير، مما يساعد على الوصول إلى السرعة النهائية في وقت أقصر، وبالتالي تقليل سرعة الهبوط إلى الحد الأدنى الذي يسمح للمظلي بالنزول إلى الأرض بأمان.

حركة المصعد وتأثير القوة على سطحه

عندما تتغير القوة التي يؤثر بها الجسم على أرضية المصعد، فإن ذلك يؤدي إلى تغير مماثل في قوة رد الفعل التي يؤثر بها المصعد على الجسم. إذا بدأ المصعد بالتحرك بتسارع نحو الأسفل، فإن قوة رد الفعل المؤثرة على الجسم تكون أقل من وزن الجسم. أما إذا تحرك المصعد للأعلى، فإن قوة رد الفعل تكون أكبر من وزن الجسم. وفي حالة الحركة بسرعة ثابتة، يتساوى الوزن مع قوة رد الفعل.

تجربة انعدام الوزن

غالبًا ما نلاحظ أن الأجسام الموجودة في المركبات الفضائية تبدو وكأنها لا تزن شيئًا. وزن الجسم على سطح الأرض يمثل قوة الجاذبية الأرضية المؤثرة عليه. إذا قمنا بتعليق جسم ما بميزان زنبركي، فإننا نقيس وزنه في حالة السكون. أما إذا تحركت نقطة التعليق، فإن القراءة ستتغير، سواء بالزيادة أو النقصان. هذا ما يسمى بالوزن الظاهري للجسم، وهو الوزن الذي نقيسه.

لتوضيح ذلك، لنفترض أن لدينا جسمًا كتلته (ك) معلقًا بميزان زنبركي مثبت في سقف المصعد. ستكون قراءة الميزان كالتالي:

• الحالة الأولى: إذا كان المصعد يتحرك بسرعة ثابتة أو ساكنًا، فإن التسارع يساوي صفرًا. بالتالي، فإن محصلة القوى = الكتلة × التسارع. وبما أن التسارع صفر، فإن المحصلة = صفر، والقوة تساوي الوزن. بناءً عليه، يكون الوزن الظاهري الذي يمثله الميزان في هذه الحالة مساويًا للوزن الحقيقي للجسم.
• الحالة الثانية: إذا كان المصعد يتحرك باتجاه الأعلى بتسارع (ت)، فإن المحصلة = القوة – الوزن = الكتلة × التسارع. وبنقل الوزن إلى الطرف الآخر، ينتج أن: القوة = الوزن + الكتلة × التسارع. بناءً عليه، فإن الوزن الظاهري الذي يمثله قراءة الميزان في هذه الحالة أكبر من الوزن الحقيقي، لذلك قد يلاحظ المراقب زيادة في الوزن.
• الحالة الثالثة: إذا كان المصعد يتحرك باتجاه الأسفل بتسارع (ت)، فإن: المحصلة = الوزن – القوة. وبما أن: القوة = الكتلة × التسارع، فإن: المحصلة = الوزن – (الكتلة × التسارع). بناءً عليه، فإن الوزن الظاهري يكون أقل من الوزن الحقيقي، ليلاحظ الشخص المراقب نقصانًا في الوزن. ويكون نقصان الجسم ناتجًا عن مقدار التسارع. فإذا تساوى التسارع مع الجاذبية، فإن: القوة = الوزن – (الكتلة × التسارع (أو الجاذبية)) = صفر. وهذا هو بالضبط ما يسمى بانعدام الوزن الظاهري، حيث يلاحظ أن الجسم المعلق بالميزان الزنبركي لا يزن شيئًا.

رواد الفضاء هم أكثر الأشخاص عرضة لهذه الظاهرة، حيث يتعرضون للعديد من المشكلات التي تؤثر سلبًا على وظائف بعض أجهزة الجسم، مثل القلب. كما أن رد فعل الأجسام على الأرض غير موجود في الفضاء.

الطائرة النفاثة

تعتمد الطائرة النفاثة في عملها على مبدأ بسيط: تقوم بسحب الهواء إلى داخل حجرة الاحتراق، حيث يتم تسخين الهواء بشكل كبير، مما يؤدي إلى ارتفاع ضغطه. بعد ذلك، يندفع الهواء بقوة من فوهة موجودة في الجزء الخلفي من الطائرة، وهذا الاندفاع يدفع الطائرة إلى الأمام. يعتبر انطلاق الطائرة رد فعل مساوٍ للقوة المؤثرة ومعاكس لها في الاتجاه.

الطائرة المروحية

يمكن تشبيه طريقة عمل الطائرة المروحية بتمرين السباحة، مع الفارق أن الطائرة تسبح في الهواء بينما يسبح الإنسان في الماء. تقوم الطائرة بدفع الهواء إلى الأسفل، مما يؤدي إلى اندفاع الطائرة نحو الأعلى كرد فعل.

مثال تطبيقي على قوانين نيوتن

المسألة: عُلقت كتلتان في طرفي حبل، إحداهما تزن 3 كيلوغرامات والأخرى تزن 5 كيلوغرامات. تم تمرير الحبل حول بكرة ملساء. المطلوب:

1. حساب تسارع المجموعة.
2. حساب قوة الشد في الحبل.

الحل:

1. بما أن وزن الكتلة الثانية أكبر من وزن الكتلة الأولى، فإن الكتلة الثانية ستتحرك نحو الأسفل والكتلة الأولى نحو الأعلى.
   
   قوة المجموعة = كتلة المجموعة × تسارع المجموعة.
   
   وزن الجسم الأول – وزن الجسم الثاني = (كتلة الجسم الأول + كتلة الجسم الثاني) × التسارع.
   
   (50 – 30) = (3 + 5) × التسارع.
   
   التسارع = 2.5 م/ث².
2. القوة الأولى = الكتلة الأولى × التسارع.
   
   القوة الأولى – الوزن الأول = 3 × 2.5.
   
   القوة الأولى – 30 = 7.5.
   
   بجمع العدد 30 إلى طرفي المعادلة، ينتج أن: القوة الأولى = 37.5 نيوتن، وهي قوة الشد في الحبل.

المراجع