قانون نیوتن جزء قوانین بسیار مهم در فیزیک است که همه ما با آنها کم و بیش با آنها آشنا هستیم. قوانین حرکت نیوتن شامل روابط بین نیروهای وارد بر جسم و حرکت آن است که ابتدا توسط فیزیکدان و ریاضیدان انگلیسی به نام آیزاک نیوتون فرموله شد.
نیوتن از این قوانین برای توضیح و بررسی حرکت بسیاری از اشیا و سیستم های فیزیکی استفاده کرد که پایه و اساس مکانیک نیوتنی را تشکیل می دهند.
در مکانیک کلاسیک قوانین حرکت نیوتن سه قانونی است که رابطه بین حرکت یک جسم و نیروهای وارد بر آن را توصیف می کند. قانون اول بیان می کند که یک جسم در حالت استراحت باقی می ماند و یا با سرعت ثابت به حرکت خود ادامه می دهد ، مگر اینکه یک نیروی خارجی بر آن اعمال شود. در ادامه مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک توضیحات بیشتری در رابطه با این قوانین ارائه می شود لطفا همراه ما باشید.
تاریخچه بیان ۳ قانون نیوتن
ارسطو فیلسوف یونان باستان اعتقاد داشت که همه اجسام در جهان هستی یک محل طبیعی دارند. اشیا سنگین (مانند صخره ها) می خواهند روی زمین آرام باشند و اشیای سبک مانند دود می خواهند در آسمان آرام باشند و ستاره ها دوست دارند در آسمان ها بمانند. وی فکر می کرد که جسم در حالت استراحت در حالت طبیعی خود قرار دارد و برای حرکت جسم در یک خط مستقیم و با سرعت ثابت ، یک عامل خارجی برای حرکت دادن آن به طور مداوم مورد نیاز است در غیر این صورت حرکت متوقف آن می شود.
با این حال گالیله دریافت که نیرویی برای تغییر سرعت اجسام یعنی شتاب لازم است ، اما برای حفظ سرعت آن نیازی به نیرو نیست. به عبارت دیگر گالیله اظهار داشت که در صورت نبود نیرو ، یک جسم متحرک به حرکت خود ادامه می دهد. (تمایل اشیا به مقاومت در برابر تغییر در حرکت همان چیزی بود که یوهانس کپلر آنرا اینرسی نامیده بود.)
این بینش توسط نیوتن که آن را به قانون اول خود تبدیل کرد اصلاح شد و به عنوان “قانون اینرسی” شناخته می شود – عدم اعمال نیرو به معنای عدم شتاب است و از این رو جسم سرعت خود را حفظ خواهد کرد. قانون اول نیوتن بیان مجدد قانون اینرسی است که گالیله قبلاً شرح داده بود.
قانون اول نیوتن
قانون اول نیوتن می گوید اگر جسمی در حالت استراحت باشد یا در یک خط مستقیم با سرعت ثابت حرکت کند ، در حالت استراحت باقی می ماند یا در یک مسیر مستقیم با سرعت ثابت حرکت می کند مگر اینکه نیرویی بر آن اعمال شود. این فرضیه به عنوان قانون اینرسی شناخته می شود. قانون اینرسی ابتدا توسط گالیله برای حرکت افقی روی زمین تنظیم شد و بعداً توسط رنه دکارت تعمیم یافت. پیش از گالیله تصور می شد که همه حرکت های افقی به یک علت مستقیم احتیاج دارند ، اما گالیله از آزمایش های خود نتیجه گرفت که جسم در حال حرکت به حرکت خود ادامه خواهد داد مگر اینکه نیرویی (مانند اصطکاک) باعث سکون آن شود.
قانون دوم نیوتن
قانون دوم نیوتن توصیف کمی تغییراتی است که نیرو می تواند بر روی حرکت جسم اعمال کند. این قانون بیان می کند که سرعت زمان تغییر حرکت یک جسم از نظر اندازه و جهت با نیروی تحمیل شده برابر است.
مقدار انرژی جنبشی جسم برابر است با حاصلضرب جرم در سرعت آن . حرکت مانند سرعت ، یک مقدار برداری است ، هم دارای اندازه و هم جهت است. نیرویی که به جسم وارد می شود می تواند اندازه حرکت ، جهت آن یا هر دو را تغییر دهد.
قانون دوم نیوتن یکی از مهمترین قوانین فیزیک است. برای جسمی که جرم m آن ثابت است ، می توان آن را به صورت F = ma نوشت ، جایی كه F (نیرو) و a (شتاب) هر دو مقدار برداری هستند. اگر جسمی دارای یک نیروی خالص باشد که بر آن اعمال می شود، مطابق با معادله شتاب خواهد گرفت. برعکس اگر جسمی شتاب نگرفته باشد ، هیچ نیروی خالصی بر آن وارد نمی شود.
قانون سوم نیوتن
قانون سوم نیوتن بیان می کند که وقتی دو جسم با هم تعامل دارند ، آنها نیروهایی را به یکدیگر اعمال می کنند که از نظر اندازه برابر و از جهت مخالف هستند. قانون سوم نیز به عنوان قانون کنش و واکنش شناخته می شود. این قانون در تجزیه و تحلیل مشکلات تعادل ساکن ، جایی که همه نیروها متعادل هستند مهم است ، اما همچنین برای اجسام در حرکت یکنواخت یا شتابدار نیز مورد استفاده قرار می گیرد.
این قاون نیروهایی را توصیف می کند که نیروهایی واقعی هستند. به عنوان مثال ، كتابی كه روی میز ساکن است نیرویی رو به پایین برابر با وزن آن روی میز اعمال می كند. طبق قانون سوم ، میز نیرویی برابر و متضاد با کتاب اعمال می کند. این نیرو به این دلیل اتفاق می افتد که وزن کتاب باعث تغییر شکل اندک در میز می شود به طوری که مانند یک فنر عقب می رود.
اهمیت و دامنه اعتبار قانون نیوتن
قوانین نیوتن بیش از ۲۰۰ سال با آزمایش و مشاهده تأیید شده است و برای ارزیابی سرعت در زندگی روزمره عالی هستند. قوانین حرکت نیوتن ، همراه با قانون جاذبه جهانی و تکنیک های محاسبات ریاضی ، برای اولین بار توضیحی کمی و یکپارچه ای برای طیف گسترده ای از پدیده های فیزیکی ارائه داده است. به عنوان مثال قانون سوم نیوتن همراه با قانون جاذبه جهانی ، قوانین حرکت سیاره ای کپلر را توضیح می دهد.
قوانین نیوتن در مورد اشیایی که به عنوان توده های تک نقطه ای ایده آل شده اند ، اعمال می شود ، به این معنا که اندازه و شکل جسم نادیده گرفته می شوند تا بر حرکت آن تمرکز کنند. این مسئله زمانی می تواند انجام شود که جسم در مقایسه با آنالیز فواصل آن کوچک باشد ، یا تغییر شکل و چرخش جسم اهمیتی نداشته باشد. به این ترتیب حتی یک سیاره هم می تواند به عنوان ذره ای برای تجزیه و تحلیل حرکت مداری آن به دور یک ستاره ایده آل شود.
در شکل اصلی خود ، قوانین حرکت نیوتن برای توصیف حرکت اجسام صلب و اجسام تغییر شکل پذیر کافی نیست. لئونارد اولر در سال ۱۷۵۰ کلیاتی از قوانین حرکت نیوتن برای اجسام صلب را به نام قوانین حرکت اویلر معرفی کرد که بعدها برای اجسام تغییر شکل پذیر که به عنوان یک پیوستار فرض می شوند نیز بیان شد. اگر جسمی به عنوان مجموعه ای از ذرات گسسته نشان داده شود ، هرکدام با قوانین حرکت نیوتن اداره می شوند ، قوانین اولر را می توان از قوانین نیوتن استخراج کرد. با این حال ، قوانین اولر را می توان بدیهیاتی توصیف کرد که قوانین حرکت برای اجسام گسترده را مستقل از هر ساختار ذره ای توصیف می کند.
قوانین نیوتن فقط در مورد مجموعه خاصی از فریم های مرجع به نام فریم های مرجع نیوتنی یا اینرسی اعمال می شود. برخی از نویسندگان قانون اول را به عنوان تعریف چارچوب مرجع اینرسی تفسیر می کنند. از این دیدگاه ، قانون دوم تنها زمانی برقرار است که مشاهده از یک چارچوب مرجع اینرسی انجام شود و بنابراین قانون اول را نمی توان به عنوان مورد خاص دوم اثبات کرد. نویسندگان دیگر قانون اول را نتیجه گیری قانون دوم می دانند. مفهوم صریح یک مرجع اینرسی تا مدتها پس از مرگ نیوتن توسعه نیافته بود.
این سه قانون در شرایط روزمره ارزیابی خوبی برای اجسام ماکروسکوپی ارائه می دهند. با این حال ، قوانین نیوتن (همراه با جاذبه جهانی و الکترودینامیک کلاسیک) برای استفاده در شرایط خاص ، به ویژه در مقیاس های بسیار کوچک ، با سرعت بسیار زیاد یا در میدان های گرانشی بسیار نامناسب هستند.
بنابراین ، نمی توان از این قوانین برای توضیح پدیده هایی مانند هدایت الکتریسیته در یک نیمه رسانا ، خصوصیات نوری مواد ، خطاهای موجود در سیستم های GPS غیر نسبی اصلاح شده و ابر رساناها استفاده کرد. توضیح این پدیده ها به نظریه های فیزیکی پیچیده تری نیاز دارد ، از جمله نسبیت عام و نظریه میدان کوانتومی.
در نسبیت خاص ، قانون دوم به شکل اصلی F = dp / dt تصور می شود ، جایی که F و p چهار برداری هستند. وقتی سرعت وارد شده بسیار کمتر از سرعت نور باشد ، نسبیت خاص به مکانیک نیوتنی کاهش می یابد.
در قرن بیستم ، قوانین نیوتن با مکانیک کوانتوم و نسبیت به عنوان اساسی ترین قوانین فیزیک جایگزین شد. با این حال ، قوانین نیوتن همچنان یک گزارش دقیق از طبیعت ارائه می دهد ، به جز اجسام بسیار کوچک مانند الکترون یا اجسامی که نزدیک به سرعت نور حرکت می کنند. مکانیک کوانتوم و نسبیت برای اجسام بزرگتر یا اجسام با سرعت کمتر به قوانین نیوتن کاهش می یابد.
برخی نیز قانون چهارمی را توصیف می کنند که فرض بر این است که هرگز توسط نیوتن بیان نشده است و می گوید نیروها مانند بردارها جمع می شوند ، یعنی نیروها از اصل سوپر پوزیشن پیروی می کنند.
قوانین نیوتن به زبان ساده
سه قانون فیزیک نیوتن اساس مکانیک هستند. قانون اول بیان می کند که جسمی که در حال سکون است تا زمانی که یک نیروی خالص خارجی به آن وارد نشود در حالت سکون خواهد ماند و جسمی که در حال حرکت است تا زمانی که یک نیروی خالص خارجی به آن وارد شود با سرعت ثابت در حرکت باقی می ماند. نیروی خارجی خالص مجموع تمام نیرویی است که بر یک جسم وارد می شود. در ادامه ما این قانون را به زبان ساده شرح می دهیم.
به عنوان مثال اگر در حال اسکیت روی یخ هستید و خود را از کنار پیست دور می کنید، طبق قانون اول نیوتن، تا آن طرف پیست بازی ادامه می دهید. اما، این در واقع اتفاق نخواهد افتاد. نیوتن می گوید جسمی که در حال حرکت است تا زمانی که نیروی بیرونی بر آن وارد نشود در حرکت خواهد ماند. در این و بیشتر موارد دنیای واقعی، این نیروی بیرونی اصطکاک است. اصطکاک بین اسکیت های یخ شما و یخ همان چیزی است که باعث می شود سرعت شما کم شود و در نهایت متوقف شود.
بیایید وضعیت دیگری را بررسی کنیم. برای این مثال رجوع شود. چرا کمربند ایمنی می بندیم؟ بدیهی است که آنها آنجا هستند تا از ما در برابر آسیب در صورت تصادف اتومبیل محافظت کنند. اگر ماشینی با سرعت ۶۰ مایل در ساعت حرکت می کند، راننده نیز با سرعت ۶۰ مایل در ساعت حرکت می کند. هنگامی که خودرو به طور ناگهانی متوقف می شود، نیروی خارجی به خودرو وارد می شود که باعث کاهش سرعت آن می شود. اما هیچ نیرویی به راننده وارد نمی شود، بنابراین راننده با سرعت ۶۰ مایل در ساعت به حرکت خود ادامه می دهد. کمربند ایمنی برای مقابله با این موضوع وجود دارد و به عنوان نیروی خارجی برای کاهش سرعت راننده به همراه خودرو عمل می کند و از آسیب دیدن آنها جلوگیری می کند.
