التطبيقات الرئيسية لقوانين نيوتن في حياتنا اليومية
أسس العالم إسحق نيوتن القوانين الأساسية في علم الميكانيكا، والتي تُعرف بقوانين نيوتن للحركة. وقد قدمت هذه القوانين إنجازات عديدة قدمت فوائد جليلة للبشرية. تتواجد تطبيقات قوانين نيوتن في عدة مجالات من الحياة اليومية، وفيما يلي أبرز تلك التطبيقات:
الصواريخ
يمثل مبدأ عمل الصواريخ أحد التطبيقات البارزة لقانون نيوتن الثالث، حيث يُطلق الصاروخ نحو الأعلى بسرعات فائقة كرد فعل للغازات الناتجة من احتراق الوقود في الأسفل. يؤدي ارتفاع درجة الحرارة إلى تمدد تلك الغازات، مما يدفع الصاروخ إلى الارتفاع بسرعة كبيرة من خلال فتحة أسفل الصاروخ.
مظلات الهبوط
تتسارع الأجسام الساقطة تحت تأثير جاذبية الأرض بشكل منتظم، ومع ذلك فإن تعارض مقاومة الهواء مع وزن الجسم الساقط يؤثر على القوة الناتجة عن تسارعه. تعتمد مقاومة الهواء على شكل الجسم وسطحه، مما يعني أن هناك علاقة طردية بين سرعة الجسم الساقط والقوة الناتجة؛ فمع زيادة السرعة، تتناقص القوة المحصلة.
نتيجة لذلك، يتناقص التسارع حتى يصل إلى الصفر، عندما تتساوى قوة المقاومة مع وزن الجسم. يُعرف بعد ذلك بالسرعة النهائية أو السرعة الحدية. تعتبر مظلات الهبوط الخاصة بالطائرات مثالاً على استخدام قوانين نيوتن، حيث تزيد المظلة من مقاومة الهواء، مما يسهل الوصول إلى السرعة النهائية في وقت أقل، وبالتالي يسمح للمظلي بالهبوط بأمان.
حركة المصعد والقوى المؤثرة عليه
عندما تتغير القوة المؤثرة على أرضية المصعد نتيجة لتغير وزن الجسم، بدورها تتغير قوة رد الفعل تجاه ذلك الجسم. فإذا تحرك المصعد نحو الأسفل بتسارع، تكون قوة رد الفعل أقل من وزن الجسم. في المقابل، إذا كان المصعد يتحرك لأعلى، فإن رد الفعل يتجاوز وزن الجسم، بينما في حالة الحركة بسرعة ثابتة فإن الوزن يتساوى مع رد الفعل.
ظاهرة انعدام الوزن
تظهر ظاهرة انعدام الوزن في الأجسام الموجودة داخل المركبات الفضائية حيث لا يظهر لها وزن. فوزن الجسم على سطح الأرض يعتمد على قوة الجاذبية. عند تعليق جسم بميزان نابضي، يقاس وزنه أثناء السكون. ولكن، يتغير الوزن عند تحريك النقطة التي تم التعليق عليها سواء بالزيادة أو النقصان، وهو ما يعرف بوزن الجسم الظاهري. على سبيل المثال، إذا تم تعليق جسم كتلته (ك) في ميزان نابضي فوق مصعد، فتكون قراءة الميزان كالتالي:
- الحالة الأولى: إذا كان المصعد في حالة ثبات أو يتحرك بسرعة ثابتة، فإن التسارع = 0، وبالتالي معادلة القوى تكون: محصلة القوى = الكتلة × التسارع، وبالتالي محصلة القوى = 0 مما يعني أن الوزن الظاهري يتساوى مع الوزن الحقيقي.
- الحالة الثانية: إذا تحرك المصعد لأعلى بتسارع ت، تكون: محصلة القوى = القوة – الوزن = الكتلة × التسارع، وبنقل الوزن يعطي:
القوة = الوزن + الكتلة × التسارع
مما يعني أن الوزن الظاهري يعد أكبر من الوزن الحقيقي، مما يؤدي لظهور زيادة في الوزن لدى المراقب.
- الحالة الثالثة: إذا تحرك المصعد لأسفل بتسارع ت فإن:
المحصلة = الوزن – القوة
وحيث أن:
القوة = الكتلة × التسارع، فإن:
المحصلة = الوزن – (الكتلة × التسارع).
بذلك يكون الوزن الظاهري أقل من الوزن الحقيقي، مما يؤدي لملاحظة المراقب نقص الوزن. وإذا تساوى التسارع مع الجاذبية فإن:
القوة = الوزن – (الكتلة × التسارع)) = 0
وتظهر بالضبط ظاهرة انعدام الوزن، حيث يظهر الجسم المعلف بالميزان النابضي بلا وزن. ويعتبر رائد الفضاء هو الأكثر تعرضًا لهذه الظاهرة، مما قد يؤثر سلباً على عمل بعض أجهزة الجسم مثل القلب.
الطائرة النفاثة
يعتمد مبدأ عمل الطائرة النفاثة على سحب الهواء إلى حجرة الاحتراق، حيث تُسخن الهواء مما يزيد من ضغطه ويسبب انطلاقه بقوة من الفوهة الخلفية للطائرة، مما يدفع الطائرة للأمام. يمثل انطلاق الطائرة رد فعل معادل للقوة المؤثرة وبالجهة المعاكسة.
الطائرة المروحية
يشبه عمل المروحية بشكل كبير تمرين السباحة، لكن على عكس السباحة في الماء، فإن المروحية تدفع الهواء نحو الخلف، مما يؤدي إلى اندفاعها للأمام كاستجابة لهذا الفعل.
تطبيقات نيوتن: تمرين تطبيقي
مثال: عُلقت كتلتان على طرفي حبل، إحداهما 3 كيلوغرام والأخرى 5 كيلوغرام، وما مرر الحبل حول بكرة ملساء لتحديد:
- تسارع المجموعة.
- قوة الشد في الخيط.
الحل 1:
- بما أن وزن الكتلة الثانية أكبر من وزن الكتلة الأولى، فإن الكتلة الثانية ستنزل بينما الكتلة الأولى ستصعد.
- قوة المجموعة = كتلة المجموعة × تسارع المجموعة.
- وزن الجسم الأول – وزن الجسم الثاني = (كتلة الجسم الأول + كتلة الجسم الثاني) × التسارع.
- 50 – 30 = (3 + 5) × التسارع.
- التسارع = 2.5 م/ث².
الحل 2:
- القوة الأولى = الكتلة الأولى × التسارع.
- القوة الأولى – الوزن الأول = 3 × 2.5.
- القوة الأولى – 30 = 7.5، وعند جمع 30 إلى طرفي المعادلة نحصل على: القوة الأولى = 37.5 نيوتن كقوة للشد في الخيط.
تتواجد العديد من التطبيقات الفعلية لقوانين نيوتن في الحياة اليومية، مما يسهم في تعزيز فهمنا للأحداث الفيزيائية من حولنا، مثل الصواريخ، المظلات، حركة المصاعد، ظاهرة انعدام الوزن، الطائرات النفاثة، والطائرات المروحية.