فهرس المحتويات
مقدمة عن التحرك
التحرك صفة أساسية للأجسام، ويحظى بأهمية بالغة في علم الفيزياء. لقد قام العلماء بصياغة العديد من القوانين التي تشرح هذه الظاهرة، وتبين أسباب تغير حركة الأجسام. في الفيزياء، يُعرَّف التحرك بأنه التبدل في مكان الجسم أو وجهته خلال فترة زمنية معينة.
يُعتبر العالم إسحاق نيوتن أول من جمع القواعد التي تفسر العديد من الظواهر الفيزيائية، ووضع الأساس لعلم الميكانيكا الكلاسيكية. جمع نيوتن هذه القواعد في ثلاثة أسس عُرفت باسم أسس نيوتن في التحرك، والتي تربط بين حركة الجسم والقوة المؤثرة عليه.
أسس نيوتن في التحرك
كان إسحاق نيوتن من بين العلماء الأكثر تأثيراً في التاريخ. تفسر أسسه الثلاث حركة الأجسام وكيفية تفاعلها مع بعضها البعض. شكلت هذه الأسس ثورة كبيرة في علم الفيزياء منذ حوالي ثلاثة قرون، وقد تم تأكيدها من خلال تجارب عديدة. لا تزال هذه الأسس مستخدمة على نطاق واسع في تفسير حركة الأجسام في حياتنا اليومية.
القاعدة الأولى لنيوتن
تنص القاعدة الأولى لنيوتن على أن الجسم الساكن يبقى ساكناً، والجسم المتحرك يبقى متحركاً ما لم تؤثر فيه قوة خارجية. بمعنى آخر، الجسم لا يبدأ بالتحرك، أو يتوقف عنه، أو يغير وجهته إلا إذا أثرت عليه قوة خارجية.
القاعدة الثانية لنيوتن
تشير القاعدة الثانية إلى تأثير القوة الخارجية على الجسم. تنص القاعدة على أن القوة المؤثرة في الجسم تساوي كتلة هذا الجسم مضروبة في تسارعه، ويُعبَّر عن هذه القاعدة بالعلاقة: القوة = الكتلة × التسارع.
حيث إن القوة والتسارع كميتان متجهتان، ويمكن أن تكون القوة منفردة أو محصلة قوى. فعند تعرض الجسم لقوة ثابتة، فإن ذلك يؤدي إلى تسارعه، أي تغير سرعته بمعدل ثابت. وعند تعرض جسم ساكن لقوة خارجية، فإن ذلك سيؤدي إلى تسارعه باتجاه القوة نفسها، أو محصلة القوى المؤثرة. وإذا كان الجسم متحركاً في الأصل، فإن القوة ستزيد سرعة الجسم أو تبطئها، ويمكن أن تغير وجهتها اعتماداً على اتجاه القوة والجسم.
القاعدة الثالثة لنيوتن
تنص القاعدة الثالثة لنيوتن على أنه لكل فعل رد فعل مساوٍ له في المقدار، ومعاكس له في الاتجاه. يشير هذا القانون إلى تفاعل جسمين مع بعضهما عند تأثير أحدهما على الآخر بقوة؛ إذ إن تأثير القوة ينشأ بين زوجين من الأجسام، فعند دفع جسم لآخر بقوة معينة، فإن الجسم المندفع سيدفع الجسم الآخر بمقدار القوة نفسها لحظة دفعه، وإذا كان الجسم المؤثر أكبر بشكل هائل من الجسم الآخر، فإن الجسم الأكبر لن يتأثر بقوة رد فعل الجسم الآخر، أو قد يؤثر تأثيراً ضعيفاً جداً؛ بحيث يمكن إهماله.
تطبيقات واقعية
لقواعد نيوتن في التحرك العديد من التطبيقات في الحياة اليومية للإنسان، ومن هذه التطبيقات اصطدام السيارة. يمكن الاستعانة بقاعدة نيوتن الأولى لتحديد أثر اصطدام السيارة. فعند مرور سيارة تسير بخط مستقيم بسرعة معينة، فإنها ستبقى تتحرك الحركة ذاتها، إلا إذا أثرت فيها قوة خارجية غيرت سرعتها واتجاهها. وعند تحرك السيارة بسرعة معينة، فإن جميع ما تحتويه السيارة من ركاب ومقاعد وما داخل الصندوق سيتحرك بالسرعة نفسها.
ولهذا ستتوقف حركة السيارة عند اصطدامها بحائط أو عائق مماثل، ولكن الركاب داخلها سيستمرون بالتحرك بسرعة السيارة واتجاهها نفسهما، حتى يصطدموا بأي شيء يوقف تحركهم؛ ولهذا فإن حزام الأمان ضروري جداً لركاب المركبات؛ فهو يمنعهم من الاستمرار في الحركة لحظة تغير سرعة السيارة؛ نتيجة لاصطدامها.
أشكال التحرك
من أشكال التحرك المعروفة في علم الميكانيك الحديث: التحرك الانتقالي، والدوراني، والتذبذبي المعقد، وتفصيل هذه الأشكال كما يأتي:
التحرك الانتقالي
يُعرف التحرك الانتقالي بالتحرك الخطي؛ لأن الجسم يتحرك فيه بخط مستقيم في بعد واحد واتجاه واحد، وذلك عكس التحرك الدوراني التي تكون فيها الحركة دورانية حول محور الجسم، فعلى سبيل المثال، في حال رُسم سهم على الجسم المتحرك حركة انتقالية فقط، فإن السهم سيبقى يشير إلى الاتجاه نفسه؛ ولكن نظرياً لا يتحرك الجسم في حالة التحرك الانتقالي بخط مستقيم، حيث يتحرك في طريق منحن ولكن لا يغير اتجاهه، إلا أن هذه الحالة ليست موجودة في الواقع.
إن العلم المختص بدراسة التحرك الانتقالي يُدعى الديناميكية الانتقالية؛ حيث يُستخدم فيه عدد من القوانين والمعادلات، ويُعتمد بشكل رئيس على قواعد نيوتن في التحرك، ومن أمثلة القوى التي يمكن أن تؤثر في الأجسام قوتا: الجاذبية والاحتكاك، وتُستخدم مبادئ التحرك الانتقالي في توضيح حرارة المادة؛ عن طريق حركة الجزيئات فيها.
التحرك الدوراني
التحرك الدوراني هو دوران الجسم حول مركزه أو محوره، ويعتمد على عزم القوة، والتي هي عبارة عن مقدار القوة اللازمة للتأثير على الجسم؛ ليتمكن من الدوران حول محوره أو مركزه، ويمكن التعبير عن ذلك باستخدام العلاقة: العزم = القوة × المسافة × جاهـ
حيث إن المسافة: هي المسافة بين المحور الذي يدور حوله الجسم والنقطة التي تعرضت للقوة، أما الزاوية هـ: فهي الزاوية بين القوة والمسافة، وبهذا تكتسب الأجسام التي تدور حول محورها طاقة حركية.
التحرك التذبذبي
التحرك التذبذبي هو حركة تنشأ عن تغيير متكرر للحركة مع الزمن؛ أي أن الحركة تعيد تكرير نفسها خلال فترة من الزمن، ومن أشهر الأمثلة على هذه الحركة حركة بندول الساعة الذي يتحرك إلى اليمين ثم اليسار؛ حول نقطة تقع وسط البندول تُسمى نقطة الاتزان في زمن معين، ثم تُعيد الحركة إلى اليمين ثم اليسار في المدة الزمنية نفسها، وهكذا دواليك.
المراجع
- “Mechanics and Motion”, Physics4Kids
- “Motion”, Britannica
- Jim Lucas, “Newton’s Laws of Motion”, Live Science
- “Laws of Motion – Real-Life Applications”, Science Clarified
- J.Sh.Kogan, “Forms of Motion”, physicalsystems.org
- Adrien-Luc Sanders, “What is Translational Motion?”, WiseGeek
- “Rotational Motion”, TheFreeDictionary
- J. B. Calvert, “Harmonic Motion”, mysite.du.edu
