قوانین حرکت نیوتن

شاخه‎ای از علم فیزیک که شامل مفاهیم و تئوری‎های بنیادین است انقلابی در جهان ایجاد کرده است. برخی از این قوانین برای کاربردهای علمی مدرن بسیار مهمند. این مقاله به توصیف جزئیات یکی از موفقترین تئوری‎ها در این شاخه می‎پردازد. این تئوری همان سه قانون حرکت است که توسط نیوتن مطرح شد.
ایزاک نیوتن تنها به دلیل قوانین حرکتش مشهور نیست، بلکه او برروی طیف وسیعی از موضوعات کار کرده است. مهمترین این موضوعات، گرانش، اپتیک منشور، پراش، قضیه دوجمله‎ای و غیره می‎باشد. در سال 1705، ملکه آنه (Anne)، بدلیل مطالعات فراوانی که ایزاک نیوتن داشت، لقب قهرمانی را به او اعطا کرد.
قوانین نیوتن مجموعه‎ای از اصول فیزیکی است که حرکت جسم را توصیف می‎کند. این اصول درواقع بیانگر پایه‎های مکانیک کلاسیک نیز هستند. نیوتن در کارش برای اولین بار مفاهیمی را تحت عنوان "اصول ریاضی فلسفه طبیعی" توضیح داد و با این کار فهم انسان از جهان را به کلی دگرگون کرد. این قوانین تنها وقتی کاربردی هستند که در دستگاه مرجع نیوتنی مطالعه شوند، و یا از دیدگاه لختی مورد بررسی قرار گیرند. به بیان ساده‎تر، این قوانین با شرط همگن بودن و بی‎نظم نبودن (non-entropic) محیط بدست آمده‎اند.
قوانین حرکت نیوتن بعدها با تئوری‎های جدیدتری، مانند تئوری نسبیت خاص اینشتین جایگزین شدند، اما به دلیل اینکه آغاز مهمی برای فهم علمی‎تر از پدیده‎ها محسوب می‎شوند، هنوز هم از منظر پایه‎های دانش به آنها مراجعه می‎شود.
بخشهای بعدی این مقاله هرکدام از این قوانین را به همراه چند مثال تشریح می‎کند.

اولین قانون حرکت نیوتن:

هر جسم تمایل دارد حالت قبلی خود را حفظ کند. یعنی اگر ساکن است در همان حالت بماند و یا اگر در حال حرکت است به حرکت یکنواخت خود ادامه دهد. مگر آنکه یک نیروی خارجی به آن اعمال گردد.
توضیح: این یک تعریف جهانی از اینرسی است. اگر هیچ نیروی خالصی، که ناشی از اعمال نیروهای غیرتعادلی است، به جسم وارد نشود (و یا اگر تمام نیروهای خارجی اثر یکدیگر را خنثی کنند)، شیء سرعت ثابت خود را حفظ خواهد کرد. همچنین اگر این سرعت صفر باشد، جسم در حال سکون باقی می‎ماند. تنها اگر یک نیروی خارجی اضافی به جسم وارد گردد، سرعت آن تغییر خواهد کرد.
مثال: بعنوان نمونه، توپی را که روی یک سطح بدون اصطکاک قرار داده‎اید تا زمانی که به آن فشاری وارد نکنید به همان صورت، در حالت سکون باقی می‎ماند. اگر این توپ در حال حرکت باشد تا زمانی که به آن نیرویی وارد نکنید که آن را متوقف کند و یا جهت حرکت آن را تغییر دهد، همچنان در همان خط مستقیم به حرکت خود ادامه خواهد داد.
یک لیوان را برداشته و مقوای نازکی را روی آن قرار دهید. روی مقوا یک سکه بگذارید و با یک حرکت سریع مقوا را به طرف خود بکشید. چه اتفاقی می‎افتد؟ اگر این کار را به درستی انجام دهید خواهید دید که سکه به درون لیوان می‎افتد. دلیلی که پشت این قضیه وجود دارد همان وجود "اینرسی سکون" است. نیرو به مقوا اعمال می‎شود و سکه به دلیل اینرسی که دارد از مقوا عقب میفتد و همراه آن حرکت نمی‎کند.

قانون دوم حرکت نیوتن:

تغییر اندازه حرکت (ممان) یک جسم، به نیروی وارد شده به آن بستگی داشته و در همان جهت نیرو است.
توضیح: شتاب یک جسم نسبت مستقیم به نیروی وارد شده به آن داشته و در جهت نیرو است. این قانون با فرمول F=ma بیان می‎شود، که در آن F نیروی خالصی است که به جسم اعمال می‎شود. اگر این جسم که جرم آن m است، شتابی به اندازه a پیدا کند (تغییر سرعت در زمان را شتاب گویند)، نیروی خالص F که به جسم وارد شده است، درواقع محصول جرم m جسم و شتاب a است. جسم نیز در حین حرکتش دستخوش این شتاب می‎شود. به بیان ساده‎تر، شتابی که با یک نیروی مشخص اعمال شده به جسم تولید می‎شود، بطور مستقیم به اندازه نیرو وابسته بوده و با جرم جسم نسبت عکس دارد.
مثال: تصور کنید که میزی را روی سطح بدون اصطکاکی هل می‎دهید. اگر شما بخواهید سرعت حرکت جسم را افزایش دهید (یا به جسم شتاب دهید)، محکم‎تر هل می‎دهید (یا نیرو وارد به میز را افزایش می‎دهید). اگر مجبور باشید به جای این میز، میز سنگین‎تری را حرکت دهید (جرم جسم را افزایش دهید)، باید نسبت به حالت قبلی بیش‎تر فشار وارد کنید (یا نیروی وارد شده را افزایش دهید) تا سرعتش افزایش یافته و برابر با حالت قبل شود.

قانون سوم حرکت نیوتن:

هر عملی عکس‎العمل مساوی و در جهت مخالف خود دارد. به بیان دیگر، عمل متقابل دو جسم به یکدیگر همیشه با یکدیگر برابر بوده و درجهت عکس یکدیگر است.
توضیح: اگر نیرویی از جسم ‘X’، به جسم ‘Y’ اعمال شود، جسم دوم نیز به جسم اول نیرویی برابر و در جهت مخالف وارد خواهد کرد. وقتی تیراندازی با تفنگش شلیک می‎کند، یک حالت پس‎زنی را از تفنگ حس می‎کند. این حس پس‎زنی که تیرانداز احساس می‎کند همان نیروی عکس‎العمل است که از طرف اسلحه وارد می‎شود. اندازه این نیرو برابر است با نیرویی که به گلوله وارد می‎کند تا شلیک شوند.
مثال: هواپیما چگونه در ارتفاعات بلند پرواز می‎کند؟ سفیه‎های فضایی چگونه در فضا پیش رفته و به سمت جلو حرکت می‎کنند؟ هواپیما از موتور جت استفاده می‎کند، یعنی از موتوری که سوخت را در دمای بالا می‎سوزاند و آن را از عقب، و در جهت مخالف حرکت هواپیما به بیرون خارج می‎کند. در این حالت نیرویی به جسم اعمال می‎شود که این نیرو نیز به نوبه خود برابر و مخالف نیروی قبلی و روبه جلو است. همین اصول برای سفینه‎های فضایی نیز صادق است.
اعتبار قوانین حرکت نیوتن، بارها از طریق به کارگیری در تئوری‎های بیشماری که بعدها گسترش پیدا کردند به اثبات رسیده است. پدیده جاذبه زمین و اجرام که توسط گالیله توضیح داده شد، کاملاً نیروی گرانشی را توضیح داده و همبستگی آن با قوانین حرکت نیوتن را به خوبی بیان می‎کند. مفاهیم اثبات شده دیگری مانند نسبیت عام، کوانتوم مکانیک، ترمودینامیک کلاسیک و غیره نیز این قوانین را بعنوان بخش اصلی محاسبات خود در بر می‎گیرند.
این اصول استفاده قابل توجهی نیز در کاربردهای مهندسی دارد. بدون این اصول بنیادی بسیاری از تکنولوژی‎های جدید ناممکن خواهند بود.