قوانينِ “المِيكانيكا” التي وضعها العالم نيوتن

1997 موسوعة الكويت العلمية للأطفال الجزء الثامن

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

قوانين الميكانيكا نيوتن الفيزياء

العلمُ المعني بدراسة حركةِ الأجسام أو تغييرِ مواضيعِها يُسمى علمُ «الميكانيكا» وكان علمُ الميكانيكا عندَ القُدماءِ مُرتبطاً بالدراسات النظريةِ عن الحركةِ والسكونِ، وبَدأتِ الفَلسَفةُ القائمةُ على التّأمُّلِ العَقليَّ الخالص بعدمِ القُدرةِ على التمييزِ بينَ حَرَكةِ الطائرِ وحَرَكةِ حَجَرٍ يسقُط مِن أعلى الجَبَل.

لكنَّ منهجَ البحثِ العِلمي السليم في مَجال العُلوم الطبيعيةِ لا يَقْبَلُ تماماً البَراهينَ الفلسفيةَ للآراءِ التي يُمكنُ اختبارها تجريبيّا؛ لهذا نجدُ أنَّ المنهجَ التجريبيَّ الذي اتَّبعَهُ عُلماءُ الحَضارةِ الإسلاميةِ.

قد أوْصَلَهم إلى تحديدِ الكثيرِ مِن المَفاهيم والمصطلحات الميكانيكيةِ، أو ساعَدَهم على وصفِ حَرَكة الأجسام، وتَصنيفِ أنواعِها.

 

فميَّزوا بين الحَركةِ الطبيعيةِ والحركةِ القَسْرية، وعرضوا لدراسةِ حَركةِ المَقذوفاتِ، والسُّقوطِ الحرِّ للأجسامِ. كذلك هُم تحدّثوا عن مُقاومةِ الحركةِ، سواءٌ عن طَريقِ الاحتكاك، أو بِسَبب تأثيرِ شكلِ الجِسمِ وكثافةِ الوَسطِ الذي تَحدُثُ فيهِ الحركةُ.

وفي عصرِ النهضةِ الأوروبيةِ الحديثةِ شَهِدَ علمُ الميكانيكا تطوّراً هائلاً على أيدي عُلماء، أمثال «جاليليو» و «كبلر» و «نيوتن» وغيرهم، استطاعوا أنْ يتوصَّلوا إلى صياغاتٍ كميةٍ لقوانينِ حركةِ الأجسامِ على الأرضِ، أو حركةِ الأرضِ والقَمَرِ والكواكبِ والنجومِ في الفَضاءِ الخارجي.

وفي عام 1687 نشر نيوتي كِتابَهُ «المبادئ» الذي ضمنَّهُ ثلاثةَ قوانينَ شهيرةٍ، تُعتبرُ أساسَ علمِ الميكانيكا حتى يومِنا هذا، فهي تُستخدمُ لكي تُصنّفَ وتُنبئ عن حركةِ الأجسامِ الظاهرةِ في الكونِ، بما في ذلك حركةُ كواكبِ مجموعتِنا الشمسيةِ وأقمارها.

 

أما القانونُ الأولُ للحَركةِ، فينُصُّ على أنَّ "كلَّ جسمٍ يَظلُّ على حالتِهِ منَ السُكون أو الحركةِ المنتظمةِ في خَطِّ مُستقيم ، ما لمْ يؤثرّْ عليهِ مُؤثّرٌ خارجيٌّ يَعملُ على تغييرِ حالَتِهِ».

ويُمكِنُنا الاستدلال على صِحَّة هذا القانون من مُشاهداتِنا اليوميةِ، حيثُ نُلاحظُ أنَّ أيَّ جسمٍ مِن حَولِنا، مثل المقعد أو المِنضَدةِ أو غيرِ ذلك، يَظلُّ ساكناً ولا يُغيَّرُ وَضْعَهُ مِن تِلقاء نفسِهِ ما لم نَدفَعْهُ أو نَسحَبْهُ، أو بوجهٍ عام ما لم نُؤثَّرْ علَيْهِ بِمُؤثّرٍ خارجيَّ يُغيَّرُ من حالةٍ سُكونِهِ، ويُطلَقُ على هذا المؤثّر الخارجي لَفْظَ «القُوّة».

كذلك نُلاحظُ عند استخدامِنا السيارة في تَنَقُّلاتِنا أنه عندما تكون السيّارة مُتحركة بسرعةٍ مُعيّنةٍ، ونُريدُ أن نَزيدَ من سُرعَتِها بمعدلٍ أكبرَ، أي نُكسِبُها «تَسارُعاً» أو (عَجَلةً)، فإننا نضغط على معجّل السيارة (ضاغط البنزين).

 

وعنِدما نُريدُ إيقافَها، فإننا نضغط على الكابح (الفرامِل)، فَتبدأ  السرعةُ بالتَّناقُصِ تَدريجياً حتى تَصلَ إلى الصِفرِ وتتوقف السيارةُ.

وإذا أردنا أن نَحرفَ السيارةَ يميناً أو شمالاً عن مسارها المستقيم، فإننا نُديرُ عَجلة القيادةِ، أيّ أنّ الجسمَ المُتحرّكَ بسرعةٍ معيّنةٍ في اتجاهٍ معيّنٍ لا يُغيّرُ عن اتجاه سُرعَتِهِ أو مِقدارِها ما لم تُؤثِّر عليه «قُوّةٌ» خارجية.

وهنا، قد يُوجدُ منُ يتساءلُ : لو سَلَّمنا بِصِحِّةِ هذا القانون، فلماذا إذنُ تقلُّ سُرعةُ السيارةِ المتحركةِ على طريقٍ أُفُقيِّ من تِلْقاءِ نفسِها إلى أنْ تَتَوقفَ عندَ رَفْعِ القدم عن ضاغطِ البنزينِ، حتى لو لمْ نَضغَط علَى فَرامِلها؟

 

وكان المفروضُ طِبْقاً للقانونِ الأول – أنْ تستمرَّ السيارةُ في حَركَتِها بسرعةٍ ثابتةٍ ما لمْ تُؤثّر عليها بمُؤثّرٍ خارجيِّ، وهو قُوةُ الكابحِ، للعمَلِ على إيقافِها.

والجوابُ على هذا التساؤلِ أنَّ هُناك فِعلاً قُوةً أخرى غيرَ الفَراملِ تَعملُ على تَقليلِ سُرعةِ السيارةِ وإيقافِها، وهي قوة «الاحتكاكِ» بينَ الأرضِ وعَجلاتِ السيارةِ.

كما أنّ هُناكَ مُقاومةَ الهواءِ لحركةِ السيارةِ، فإذا أرادَ السائقُ أنْ تتحرَّكَ سيّارتُهُ بسرعةٍ مرةً ثانيةً في خَطٍّ مُستقيم، فإنّهُ يَضغطُ على مُعجِّلِ السيارةِ ضَغْطاً خَفيفاً بالقدرِ الذي يُعادلُ بهِ مُقاوَمةَ الاحتكاكِ والهواءِ.

 

ويُستَنتَجُ من ذلك أنه «إذا أثَّرَ على جسمٍ ما عدةُ قوى، وكان التأثير الكليّ لهذه القوى (أي مُحصِّلُها) على الجسمِ صفراً، فإن الجسمَ يَستَمرُّ في حالتِهِ الطبيعيةِ من حيثُ السكونُ أو الحركةُ بسرعةٍ مُنْتَظمةٍ».

ويُعبّرُ قانون نيوتن الأولُ للحركةِ عن خاصيةٍ هامةٍ للأجسامِ الماديةِ تُسمى«القُصورُ الذاتيُّ»، وهي» أنَّ الأجسامَ تُحاولُ دائماً أنْ تحتفِظَ بِحالَتِها من حيثُ السكونُ أو الحركةِ بسرعةٍ مُنتَظمةٍ، وهناك مشاهداتٌ في حياتِنا اليوميةِ تُوضِحُ هذه الخاصيَّةَ.

فعندما تبدأُ سيارةُ حَرَكتها فجأَةً، يُلاحظُ أنَّ الرُّكّابَ يندفعون إلى الخَلفِ. ويُفسر ذلك بأنه في هذه اللحظة يحتفظَ الركابُ بحالةِ السُكونِ التي كانوا عليها، بَينما تبدأُ السيارةُ حَركتها إلى الأمامِ، فَيَنتُجُ عن ذلك اندفاعُهُم إلى الخَلْفِ بالنسبة للسيَارةِ.

 

وقدْ يحدُثُ العكسُ أحياناً عندما يضطرُّ سائقُ سيارةٍ مُتحركةٍ بسرعةٍ كبيرةٍ أن يوقفَها فجأةً، فنُلاحظُ في هذه اللحظةِ اندفاعَ السائقِ والركابِ وحقائِبِهم بقوةٍ إلى الأمام، ممَّا قَد يؤدّي إلى حُدوثِ أضرارٍ.

ولهذا يُنصحُ بِربطِ جسم كُلَّ مِنْ سائق السيارة وركّابِها بحزام الأمانِ المُثَبّتِ في مقعدِ كُلِّ منهم، وكذلك نَنصحُ بِضَرورةِ رَبْطِ جِسمِ المُسافر بالطائرةِ بِحزامِ مَقْعَدِهِ عِند إقلاعِ الطائرةِ وهُبوطها.

ويَرتَبطُ القُصورُ الذاتيّ لِجسم ما بِمِقدار ما يَحْتَويه من مادةٍ، وهي «الكُتلةُ» فكلما ازدادتْ كُتلةُ الجِسمِ احتاجَ إلى قُوةٍ أكبرَ لكي تُكسبُهُ تَسارُعاً مُعيّناً. أي أن القُصورَ الذاتيَّ للجِسمِ يَزدادُ بِزيادةِ كُتلَتِهِ. وعليهِ فإنَّ مِنَ الصَّعبِ تحريكُ الأجسامَ الثقيلةِ إذا كانتْ ساكنةً أصلاً، وكَذلكَ يَصعُبُ إيقافُها إذا كانت في حالةِ حركةٍ.

 

مِنْ هذا يتَّضحُ أنَّ خاصيّةَ القُصورِ الذاتيَّ. مُعبّراً عنها بالكُتلة، يجبُ أن تتدخَّلَ بطريقةٍ ما في تحديدِ التَّسارُع الذي تُسبَّبُه قُوَّةٌ مُعيّنةٌ، وهذا هو مَضمونُ قانوِن نيوتن الثاني للحركةِ.

وأمَّا بالنسبةِ للقانون الثالثِ لنيوتن، فإنّهُ ينُصُّ على أنّ «لكلّ فعلٍ ردُّ فعلٍ مُساوٍ له في المِقدارٍ ومُضادٌّ لهُ في الاتَّجاهِ». وينطَبِقُ هذا القانونُ بوجهٍ عامٍّ على ايِّ جسمٍ يُؤثَّرُ بِقوُةِ على جِسمٍ آخر، سواءُ أكان هذانِ الجِسمانِ ساكنَيْن أمْ مُتَحرّكيْنِ.

وتَتَضحُ العلاقةُ بين «الفِعلِ» و «ردِّ الفِعلِ» عندما تحملُ ثِقَلاً على كَفّ يَدِكَ وهو في حالةِ سُكونٍ، فَيكونُ الفِعْلُ هو وزنُ الثَّقلِ الذي يؤثَّرُ على يَدِكَ بِقوَّةٍ ضَغْطٍ إلى أسفلَ.

 

ويكونُ رَدُّ الفِعلِ هو القُوُّةُ التي تُؤثَّرُ بِها اليَدُ على الثَّقلِ إلى أعلى لكي تمنِعهُ منَ السُّقوطِ. وحيثُ أنَّ الثَّقِلَ في حالةِ سُكون، فإنَّ مِقدارَ وَزْنِهِ إلى أسْفَل يُساوي مِقدارَ ردَّ الفِعلِ عَليْهِ إلى أعلى.

وعِندما تُطلقُ رصاصةٌ من بُندقيةٍ فإنَّ البُندُقِيةُ تَرتدُّ إلى الخَلفِ بتأثيرِ رَدَّ فِعلِ إطلاقِ الرَّصاصةِ مِنها.

وتكون قوّةُ ردَّ الفِعلِ على البُنْدٌقيةِ مُساويةً في المِقدارِ للقوةِ التي تُؤثّرُ بِها على الرَّصاصةِ عِندَ إطلاقِها، ومَضادة لها في الاتَّجاه.

 

وعِند إطلاقِ صاروخٍ نفَّاثٍ، تَنْدَفِعُ الغازتُ المُحْتَرقةُ فيه بقوةٍ كبيرةٍ إلى خارجِهِ مِنَ الخَلفِ، فَيَنطلقُ الصاروخُ إلى الأمامِ بتأثيرِ ردَّ فِعلِ الغازاتِ الخارجةِ منه.

وتكونُ قُوةُ ردَّ الفِعلِ على الصاروخِ مُساويةً في المِقدارِ للقوةِ التي يَدفَعُ بِها هذه الغازاتِ إلى الخارجِ، ومُضادة لها في الإتِّجاهِ.

ومع إطلالةِ القرنِ العشرين كانت عُلومُ الفِيزياءِ والكِيمياءِ والكَوْنِ قد قَطَعَت شوْطاً كبيراً منَ التقدمِ. بحيثُ تَكدَست الصُّعوباتُ في مَسائلَ لمْ يَتَمكّنَ العُلَماءُ من حلَّها على أساسِ قوانينِ نيوتن، وظَهَرتْ أكثرُ هذهِ الصُّعوباتِ عِندَما نَظَرَ العُلماءُ في عالمِ المُتناهياتِ في الصَّغَرِ على مُستوى الذَّرّةِ ونُواتِه.

 

وفي عالمِ المُتناهِياتِ في البُعْدِ والكِبَرِ على مُستوى المِجَرّاتِ والحُشُودِ النِجميةِ والأجرامِ السابحةِ في الفَضاءِ الكونيَّ السَّحيقِ.

وتَمكّنَ العُلَماءُ مِنْ تأسيسِ عِلميُنِ جَديديْنِ: أحَدُهُما يُسمى «الميكانيكا النسبية» ، والآخر يُسمى «ميكانيكية الكمَّ»، لكنِّ هذا لا يَنتقصُ من قوانينِ «المِيكانيكا الكلاسيكيةِ» التي وَضَعَها إسحق نيوتن لِتَصِفَ بِنَجاحٍ حَرَكةَ جَميعِ الأجسامِ ذاتِ الأحجامِ والسرعاتِ العاديةِ.

من ناحيةِ أخرى، لا تَقْتَصِرُ أنواعُ الحَركةِ على «الحَركةِ الخَطيَّةِ» التي شَرَحنا أهمَّ قَوانِينِها بشيءٍ منَ التَفصيلِ، فَهُناكَ أنماطٌ أُخرى مُختَلِفةٌ منَ الحَرَكةِ.

فَمِنْها البَسيطُ، ومِنْها المُعقَّدُ. مثالُ ذلك: حركةُ اسطوانةٍ حولَ مِحورٍ ثابتٍ في وَسَطِها، وَحَركةُ الأرضِ حولَ نَفْسِها، وتُسمى «الحركةُ الدَّورانيةُ»، وحركةُ الأرضِ والكواكبِ حولَ الشمسِ، وتُسمّى  «الحركةَ الدائريةَ».

 

وهناك ايضاً حركةُ بِندولِ ساعةِ الحائطِ، وحركةُ الأوتارِ والأحبالِ الصوتيةِ، وحركةُ الذرَّاتِ في المادةِ حولَ مَواضعَ اتِّزانِها.

وتُسمى «حركةً اهتزازيةً» أو تَذّبْذُبيةً، وهي تَتَميزُ بِخصائصَ مُعيّنةٍ أهمها «التَرَدُّدُ»، أي عددُ الاهتزازاتِ أو الذبذبات الكاملةِ التي يُحْدِثها الجِسمُ المُهتزُّ في وِحدةِ الزمنِ، ويُقاسُ بِوحداتِ «الهرتز»، نسبة إلى أحدِ عُلماءِ الفيزياء المَشهورين.

كذلكَ تَنْتَشِرُ الطاقةُ الصوتيةُ والطاقةُ الضوئيةُ مِنْ مَصادِرِها في «حركةٍ مَوجيةٍ لها قوانينُها الخاصةُ.

 

وتَجْدُرُ الإشارةُ إلى أنَّ اهتمامَ الإنسانِ بِدراسة الحركةِ أدى بِهِ إلى تَطويرِ الآلاتِ والوسائل التي تُعينُهُ في أعمالِهِ الميكانيكيةِ وتُساعدُهُ على التنقُّلِ مِنْ مكانٍ لآخرَ، فقد عَمِلَ بصورةٍ مُسمترةٍ على زيادةِ سُرْعَتِها، والارتفاع بِكفاءتِها حتى وَصَلَ إلى الطائراتِ التي تزيدُ سُرعتُها على سُرعةِ الصوتِ.

والتوابع المدارية (الأقمار الصناعية) التي تَدورُ حولَ الأرضِ، ومَركباتِ الفضاءِ التي تُسافرُ إلى الكواكبِ البعيدةِ.

وأهتمّ الباحثونَ بدراسةِ التأثيرات الفيزيولوجيةِ التي يتعَرّضُ لها الإنسانُ عندما يتحرّكُ بسُرُعاتٍ كبيرةٍ. وقد لُوحِظَ أنَّ هذه التأثيراتِ تَتَفاوتُ في دَرَجةِ خُطورَتِها، وتَتَرواحُ بينَ الإحساسِ بالضّيقِ والألمِ، أو تَهَتُّكِ أنسجةِ الجِسمِ، أو فُقْدانِ الرُؤية.

 

فبالنسبةِ للحركة التّذّبذُبيَّة – على سبيلِ المثالِ- يشعرُ الإنسانُ بالألم إذا تَعَرَّضت أعضاءُ جِسمِهِ لِذبذباتٍ يَزيدُ تردُّدُها عن حدَّ مُعيِّنٍ ، فقد وجِدَ أنَّ ألمَ الرّأسِ يَظْهَرُ إذا تعرّضَ لتردُّداتٍ في حُدود 13- 20 هِرتز، وألمَ الصَّدْرِ عند 5-7 هِرتْز، والَم البَطنِ عند 4,5 – 10 .هِرتز.

وبعضُ هذهِ التأثيراتِ نَشْعُرُ بها عندَ سماعِ أصواتِ بعضِ الجَرَّارات، أو أزيزِ بعضِ الطائراتِ التي تَمُرُّ بالقُربِ منَّا، وقد يَصِلُ التأثيرُ إلى دَرجةِ حدوثِ إجهادٍ او اضطرابٍ في الرُؤيةٍ.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]