یک بررسی اجمالی از قوانین حرکت نیوتن

قوانین حرکت نیوتن

سر آیزاک نیوتن نه تنها به خاطر کارهای خود در زمینه قوانین حرکت مشهور است، بلکه در پیشبرد طیف گسترده‌ای از موضوعات نیز نقش به سزایی داشته است که عمده‌ترین آنها گرانش، منشور اپتیکی، پراش، قضیه دو جمله‌ای و غیره است. او به خاطر مطالعات مثال زدنی خود توسط ملکه آن در سال 1705 به مقام شوالیه‌گری نائل شد.
 
قوانین نیوتن مجموعه‌ای از آموزه‌های فیزیکی است که حرکت اشیاء و همچنین رشته مکانیک کلاسیک را توصیف می‌کند. آنها اولین بار در کار وی با عنوان «اصول ریاضی فلسفه طبیعی» توصیف شدند، و درک بشر را از جهان کاملاً تغییر داده‌اند. این قوانین فقط درصورتی قابل اعمال هستند که با توجه به چهارچوب‌های مرجع نیوتنی یا از دیدگاه اینرسی مورد مطالعه قرار گیرند. به عبارت ساده، آنها با توجه به یک محیط همگن و غیر انتروپیک مورد مطالعه قرار گرفتند.
 
این قوانین حرکت توسط چندین نظریه اخیر مانند نظریه نسبیت خاص انیشتین قبول شدند، اما همان طور که این نظریات یک دوره مهم درک علمی بزرگ‌تر را شروع کردند، هنوز به آنها از منظر دانش محور رجوع می شود. بندهای زیر هر قانون را به طور خلاصه با مثال‌های مناسب توضیح می‌دهد.
 

یک شیء ساکن یا در حرکت است مگر این که تحت تأثیر نیرویی خارجی قرار گیرد.
توضیح: این به طور جهانی به عنوان تعریفی از اینرسی مورد استفاده قرار می‌گیرد. اگر نیروی خالصی ناشی از نیروهای نامتعادل وارد بر یک شیء وجود نداشته باشد (و همه نیروهای خارجی یکدیگر را کنسل کنند)، جسم سرعت ثابتی را حفظ می‌کند. اگر این سرعت صفر باشد این شیء در حالت سکون باقی می‌ماند. اگر یک نیروی خارجی اضافی اعمال شود، سرعت تغییر می‌کند.
 
مثال‌ها: به عنوان مثال، روی یک سطح بدون اصطکاک، یک توپ تا زمانی که تحت فشار قرار نگیرد، در حالت سکون باقی می‌ماند. هنگامی که در حرکت باشد، حرکت آن در یک خط مستقیم ادامه خواهد یافت تا زمانی که یک نیرو باعث شود که متوقف شود یا تغییر جهت دهد.
 
لیوانی را بردارید و یک تکه مقوا روی آن قرار دهید. حال، یک سکه را روی این مقوا بگذارید، و مقوا را تند و تیز بیرون بکشید. چه اتفاقی می افتد؟ اگر این کار را به درستی انجام دهید، سکه به داخل لیوان سقوط می‌کند. دلیل این امر "اینرسی سکون" است. این نیرو بر روی مقوا اعمال می‌شود و سکه به دلیل اینرسی سکونش از حرکت مقوا عقب می‌ماند.
 

نیروی اعمال شده بر جسم، حاصل ضرب جرم آن و شتاب تولید شده است.
توضیح: شتاب یک جسم مستقیماً با نیرویی که بر آن جسم اعمال می‌شود، و در جهت آن نیرو متناسب است. این قانون با معادله F = ma بیان می‌شود که در آن "F" مخفف نیروی خالصی است که روی شیء عمل می‌کند. اگر این شیء به جرم "m" شتابی به اندازه "a" داشته باشد (تعریف شتاب تغییر سرعت در زمان است)، پس نیروی خالص "F" بر روی آن جسم عمل کرده است که اندازه آن حاصل ضرب جرم و شتاب آن جسم است. این جسم در حین حرکت نیز می‌تواند دچار شتاب شود. به عبارت ساده تر، شتاب تولید شده توسط نیرویی خاص که بر روی جسم عمل می‌کند، مستقیماً با بزرگی نیرو و به طور معکوس با جرم جسم متناسب است.
 
مثال: شما در حال هل دادن یک میز در عرض یک سطح بدون اصطکاک هستید. اگر بخواهید سرعت حرکت میز زیاد شود (افزایش شتاب)، شما سخت‌تر هل می‌دهید (افزایش نیرو). اگر میز با یک میز سنگین تر (افزایش جرم) جایگزین شود، لازم است حتی باز هم سخت‌تر میز را هل دهید (افزایش نیرو) تا آن را با همان نرخ قبلی سرعت دهید.
 

برای هر عملی یک عکس العمل مساوی در جهت مخالف وجود دارد.
توضیح: اگر نیرویی توسط جسم 'X' بر روی جسم دیگر 'Y' اعمال شود، آنگاه جسم دوم نیز نیرویی برابر و در جهت مخالف بر روی جسم اول اعمال می‌کند. هنگامی که یک تیرانداز اسلحه خود را شلیک می‌کند، یک پس زنی ناگهانی اسلحه را تجربه می‌کند. این ضربات که توسط تیرانداز احساس می‌شود، نیروی واکنشی است که بر روی سلاح گرم عمل می‌کند. این نیرو از نظر قدرتی برابر است با نیرویی که گلوله را به جلو سوق می‌دهد.
 
مثال: هواپیماها چگونه در ارتفاعات پرواز می کنند و چگونه فضاپیماها به فضا پرتاب می‌شوند؟ این هواپیماها از موتورهای جت استفاده می‌کنند، یعنی موتورهایی که سوخت را در دماهای بالا می سوزانند و آن را در جهت عقب به بیرون می‌رانند. در این حالت نیرویی روی بدنه جسم اعمال می‌شود که آن را رو به جلو می‌راند. این نیرو برابر با همان نیرویی است که بر گازهای خروجی وارد می‌آید. همین اصل در مورد فضاپیماها نیز صدق می‌کند.
 
قوانین نیوتن با کاربرد آنها در نظریه‌های بیشماری که بعداً، به ویژه در قرن گذشته، توسعه یافتند، تأیید شده‌اند. پدیده گرانش که توسط گالیله توضیح داده شده است، نیروی گرانش را کاملاً تبیین می‌کند و همبستگی یا ارتباط این نیرو با قوانین حرکت را نشان می‌دهد. قوانین نیوتن مجموعه‌ای از آموزه‌های فیزیکی است که حرکت اشیاء و همچنین رشته مکانیک کلاسیک را توصیف می‌کند. چندین مفهوم اثبات شده دیگر مانند نسبیت عام، مکانیک کوانتومی، ترمودینامیک کلاسیک و غیره، این قوانین را به عنوان بخش عمده ای از مشتقات خود گنجانده‌اند.
 
این آموزه‌ها استفاده‌های چشمگیری در چندین کاربرد مهندسی دارند. بدون این اصول، تحقق بسیاری از فناوریهای مدرن امکان پذیر نبود.
 
بسیاری از دانشمندان به نیوتون به عنوان بزرگترین فیزیکدان تاریخ فیزیک می‌نگرند، زیرا معتقدند سوای کارهای بزرگی که در فیزیک و ریاضی انجام داد استفاده از منطق کلاسیک در قالب ریاضی را در مفاهیم ملموس فیزیکی متداول کرد. این کار از چنان اهمیتی برخوردار است که حتی در فیزیک مدرن (فیزیک کوانتومی و نسبیت) نقطه شروع جدایی از فیزیک کلاسیک، پذیرش کامل قوانین فیزیک کلاسیک و به ویژه قوانین نیوتون در حرکت است و سپس بر مبنای همین پذیرش لزوم جدایی ثابت می‌شود. این نشان دهنده استواری و قوام این اصول فیزیک کلاسیک است وگرنه رسیدن به قوانین فیزیک مدرن از طریق دیگری حاصل می‌شد.
 
منبع: Prabhakar Pillai