فيديو الدرس: قانون نيوتن الأول للحركة الفيزياء

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتناول قانون نيوتن الأول للحركة. وهو أحد القوانين الثلاثة المشهورة لإسحاق نيوتن التي تشكل حجر الأساس للفيزياء الكلاسيكية. لكن قبل النظر في نص القانون الأول، فلنتخيل الحالة الآتية.

لنفترض أن لدينا كرة، وهذه الكرة لها كتلة سنسميها ‪𝑚‬‏، ومقدارها كيلوجرام واحد. الآن، الكرة موضوعة هنا. فهي ساكنة لا تتحرك. لكن لنفترض أن شخصًا ما أتى ودفع الكرة من اليسار إلى اليمين. بعبارة أخرى، أثرت يد هذا الشخص على الكرة بقوة. يمكننا تمثيل القوة التي أثر بها الشخص على الكرة بسهم يؤثر على الكرة باتجاه اليمين. يقاس مقدار القوة في العموم بوحدة تسمى النيوتن. لنفترض إذن أن الشخص أثر على الكرة بقوة مقدارها نيوتن واحد.

في هذه الحالة، ماذا سيحدث للكرة الآن؟ حسنًا، قد نظن بشكل بديهي أن الكرة ستبدأ في التحرك. فقد دفعها شخص ما من اليسار إلى اليمين. لذا نظن أن الكرة ستتحرك إلى اليمين، وهذا صحيح بالفعل. سنعرف بعد قليل كيف تتحرك الكرة بالضبط، وما عجلتها. لكن ما يمكن أن نقوله هنا عمومًا هو أن الكرة بدأت تتحرك إلى اليمين بعدما كانت ساكنة في البداية. وذلك كله بسبب القوة التي أثر بها هذا الشخص على الكرة.

حسنًا، لنتخيل الآن نفس الكرة مرة أخرى؛ الكرة التي كتلتها كيلوجرام واحد، وهي ساكنة في البداية، تمامًا كما في السابق. لكن هذه المرة بدلًا من أن يؤثر شخص واحد على الكرة بقوة، لنر ما سيحدث عندما يؤثر شخصان على الكرة بقوة، وتحديدًا عندما يؤثر أحدهما على الكرة بقوة في اتجاه اليمين، ويؤثر الشخص الآخر على الكرة بقوة في اتجاه اليسار. الأهم من ذلك في هذه الحالة أننا سنفترض أن القوة المؤثرة في اتجاه اليمين تساوي نيوتن واحدًا، وأن القوة المؤثرة في اتجاه اليسار تساوي أيضًا نيوتن واحدًا.

بعبارة أخرى، يدفع كلا الشخصين الكرة بنفس مقدار القوة. لكنهما يدفعان بها في اتجاهين متعاكسين؛ إذ يبدو أن هذا الشخص يدفع الكرة إلى اليمين مرة أخرى، كما رأينا هنا. لكن هذا الشخص المرسوم باللون الأزرق قرر منع ذلك عن طريق التأثير بقوة معاكسة في الاتجاه ومساوية في المقدار. في هذه الحالة، تلغي القوة المؤثرة في اتجاه اليسار القوة المؤثرة في اتجاه اليمين تمامًا. فكلتاهما لها نفس المقدار، وهو نيوتن واحد.

هل هذا كاف إذن للحفاظ على سكون الكرة تمامًا في مكانها؟ هنا يأتي دور قانون نيوتن الأول للحركة. ينص قانون نيوتن الأول للحركة على أن الجسم الساكن يبقى ساكنًا. والجسم المتحرك بسرعة متجهة ثابتة سيظل متحركًا بتلك السرعة ما لم تؤثر عليه قوة غير متوازنة. يصعب علينا استيعاب كل ذلك دفعة واحدة. لذا دعونا نقسم هذه الجملة إلى أجزاء أصغر كي يسهل فهمها. الجزء الأول من الجملة يتحدث عن الجسم الساكن. هذا يعني أننا نتحدث عن جسم ساكن في البداية، تمامًا مثل الكرة التي نتحدث عنها هنا. وينص هذا القانون على أن الجسم الساكن سيبقى ساكنًا. وسنتجاهل جزء السرعة المتجهة الثابتة في الوقت الحالي. ومن ثم، يظل الجسم ساكنًا ما لم تؤثر عليه قوة غير متوازنة.

لكن ماذا نعني بقوة غير متوازنة؟ القوة غير المتوازنة هي ببساطة القوة التي لا توازنها قوى أخرى. ويحدث ذلك عندما لا تلغي القوى المؤثرة على جسم بعضها بعضًا. في الحالة الأولى التي ذكرناها، كانت لدينا يد واحدة تؤثر على الكرة بقوة مقدارها نيوتن واحد في اتجاه اليمين. وهذه القوة التي مقدارها نيوتن واحد لم تواجهها أي قوى أخرى. ومن ثم فهذه القوة التي مقدارها نيوتن واحد هي بالفعل قوة غير متوازنة. من الجدير بالملاحظة هنا أن القوة غير المتوازنة لا يلزم أن تكون قوة واحدة تؤثر على الجسم. يمكن، على سبيل المثال، أن يكون لدينا العديد من القوى المؤثرة على الجسم.

في هذه الحالة، لدينا ثلاث قوى تؤثر جميعها في اتجاه اليمين. والتأثير المحصل أو الكلي لهذه القوى الثلاث المؤثرة معًا، الذي يمكن أن نسميه القوة المحصلة المؤثرة على الكرة، يساوي في هذه الحالة قوة كبيرة جدًّا تؤثر في اتجاه اليمين، ويساوي مقدارها مجموع مقدار القوى الثلاث الملونة باللون الوردي. وتمثل هذه القوة المحصلة قوة غير متوازنة؛ لأنه لا توجد قوة أخرى تؤثر في الاتجاه المعاكس لموازنتها تمامًا أو مواجهتها. لذا إذا كان هناك جسم تؤثر عليه قوة غير متوازنة، فلن يبقى هذا الجسم ساكنًا. هذا ما ينص عليه قانون نيوتن الأول للحركة.

تذكر أن الجسم الموجود في هذه الحالة؛ أي الكرة، كان ساكنًا في البداية. إذن كانت الكرة ساكنة في البداية، ثم أثرنا عليها بقوة محصلة، وعندها بدأت الكرة تتحرك. ولم تعد ساكنة. على وجه التحديد، تسارعت الكرة أو تغيرت سرعتها المتجهة في اتجاه القوة المحصلة. وكما رأينا مع هذه الكرة هنا، عندما دفعناها إلى اليمين، بدأت الكرة تتحرك في اتجاه اليمين.

لكن إذا نظرنا الآن إلى الكرة التي كانت ساكنة منذ البداية وأثرنا عليها بقوة أخرى معاكسة تمامًا للقوة الأولى المؤثرة في اتجاه اليمين — لنفترض أن مقدار القوة المؤثرة في اتجاه اليمين نيوتن واحد ومقدار القوة المؤثرة في اتجاه اليسار نيوتن واحد أيضًا، كما في هذه الحالة هنا — فإن التأثير المحصل أو الكلي لهاتين القوتين معًا؛ أي القوة التي مقدارها نيوتن واحد في اتجاه اليمين والقوة التي مقدارها نيوتن واحد في اتجاه اليسار، يكافئ عدم وجود أي قوى مؤثرة على الكرة على الإطلاق.

ويمكننا وصف ذلك بالقول إن القوة المحصلة أو الكلية المؤثرة على الجسم تساوي صفرًا. وهذا عندما تكون القوى المؤثرة على الكرة متوازنة. فالقوة التي تبلغ نيوتن واحدًا والمؤثرة في اتجاه اليمين متوازنة تمامًا مع القوة التي تبلغ نيوتن واحدًا والمؤثرة في اتجاه اليسار؛ أي تلغي إحداهما الأخرى تمامًا؛ لأن لهما نفس المقدار، لكنهما تؤثران في اتجاهين متعاكسين. وبما أن القوى المؤثرة على الكرة متوازنة، فإن قانون نيوتن الأول للحركة ينص على أن الكرة التي كانت ساكنة تظل ساكنة. بعبارة أخرى، لن تبدأ في التحرك في أي اتجاه.

إذن في هذه الحالة التي لدينا فيها كرة ساكنة في البداية وشخصان يؤثران بقوتين عليها، أحدهما في اتجاه اليمين والآخر في اتجاه اليسار، وهاتان القوتان متساويتان تمامًا في المقدار لكنهما تؤثران في اتجاهين متعاكسين، يمكننا القول إنه لا توجد قوى غير متوازنة تؤثر على الكرة. فجميع القوى المؤثرة على الكرة متوازنة. ومن ثم الكرة التي كانت ساكنة في البداية تظل ساكنة. رأينا إذن أن الجسم الساكن منذ البداية يظل ساكنًا إذا كانت القوى المؤثرة عليه متوازنة. وإذا أثرت قوة غير متوازنة على هذا الجسم الساكن منذ البداية، فإن الجسم يتسارع. ولا يعود ساكنًا.

أما كيفية تأثير قوة غير متوازنة على تسارع جسم ما، فتخضع لقانون نيوتن الثاني للحركة الذي ينص على أن القوة المحصلة غير المتوازنة المؤثرة على الجسم تساوي كتلة الجسم مضروبة في العجلة التي يتحرك بها في اتجاه القوة غير المتوازنة. لكننا نركز هنا على قانون نيوتن الأول للحركة. وما زالت لدينا حالة واحدة لم نفكر فيها بعد. يتحدث قانون نيوتن الأول للحركة على وجه التحديد عن جسم يتحرك من البداية بسرعة متجهة ثابتة.

لنتخيل الكرتين الورديتين مجددًا، إلا أن الكرة العلوية تتحرك هذه المرة منذ البداية بسرعة متجهة، سنسميها ‪𝑣‬‏، في اتجاه اليمين. ولنفترض أن هذه السرعة ‪𝑣‬‏ تساوي مترًا واحدًا لكل ثانية. إذن هذه الكرة تتحرك بسرعة متجهة ثابتة في اتجاه اليمين، ثم نتدخل ونؤثر عليها بقوة مقدارها نيوتن واحد في اتجاه اليمين. وكما رأينا، هذه قوة غير متوازنة. وينص قانون نيوتن الأول للحركة على أن الجسم المتحرك بسرعة متجهة ثابتة يظل متحركًا بسرعة متجهة ثابتة ما لم تؤثر عليه قوة غير متوازنة.

في هذه الحالة، لدينا قوة غير متوازنة تؤثر على الجسم. ومن ثم، فإن الكرة لن تظل تتحرك بسرعة متجهة ثابتة تساوي مترًا واحدًا لكل ثانية. في الحقيقة، ستتسارع الكرة في اتجاه القوة غير المتوازنة بموجب قانون نيوتن الثاني للحركة الذي ذكرناه قبل قليل. يمكننا القول إذن إن التأثير بقوة مقدارها نيوتن واحد في اتجاه اليمين على الكرة، التي كانت تتحرك منذ البداية بسرعة متر واحد لكل ثانية في اتجاه اليمين، ينتج عنه تسارع الكرة أو اكتسابها سرعة في اتجاه القوة غير المتوازنة.

إذن في هذه الحالة تحديدًا، ستكتسب الكرة في زمن لاحق سرعة متجهة ناحية اليمين أكبر من متر واحد لكل ثانية بسبب القوة التي أثرنا بها عليها. لكن إذا أثرنا، بدلًا من ذلك، بقوة مقدارها نيوتن واحد في الاتجاه المعاكس للسرعة المتجهة الابتدائية للكرة، فستتسارع الكرة في اتجاه القوة غير المتوازنة، وهو ما يعني أنه عند زمن لاحق ستكون السرعة المتجهة للكرة أقل من متر واحد لكل ثانية في اتجاه اليمين. وفي النهاية، ستتوقف الكرة ثم تبدأ التحرك في اتجاه اليسار. ونظرًا لأن القوة التي مقدارها نيوتن واحد تؤثر في الاتجاه المعاكس للسرعة المتجهة الابتدائية للكرة، ففي هذه الحالة تحديدًا ستتباطأ الكرة نتيجة القوة أولًا، ثم تبدأ في الحركة في اتجاه اليسار.

والآن لننظر إلى الكرة الثانية. مرة أخرى، تتحرك الكرة باتجاه اليمين بسرعة متجهة مقدارها متر واحد لكل ثانية. وهذه المرة، نؤثر بقوة واحدة مقدارها نيوتن واحد على هذه الكرة في اتجاه اليمين وقوة أخرى في اتجاه اليسار مقدارها نيوتن واحد. مرة أخرى، كما رأينا سابقًا، هاتان القوتان متوازنتان. ومن ثم، فإن القوة المحصلة أو الكلية أو الإجمالية المؤثرة على الكرة تساوي صفرًا. في هذه الحالة، ينص قانون نيوتن الأول على أمر قد يثير الدهشة. فهو ينص على أن الجسم المتحرك بسرعة متجهة ثابتة يبقى متحركًا بنفس السرعة المتجهة الثابتة ما لم تؤثر قوة محصلة عليه.

إذن، في هذه الحالة تستمر الكرة في التحرك نحو اليمين بسرعة متجهة مقدارها متر واحد لكل ثانية. وهذه الحقيقة، كما ذكرنا من قبل، قد تبدو مدهشة بعض الشيء؛ لأننا قد نتخيل، على سبيل المثال، دحرجة كرة على الأرض في اتجاه اليمين بسرعة متجهة ابتدائية مقدارها متر واحد لكل ثانية. لماذا لا تستمر هذه الكرة في التدحرج بسرعة متر واحد لكل ثانية إلى ما لا نهاية؟ لماذا تتباطأ في النهاية وتتوقف أثناء حركتها على الأرض؟

حسنًا، يرجع ذلك إلى وجود قوة غير متوازنة تؤثر على الكرة، وهي تحديدًا الاحتكاك بين الكرة والأرض. تؤثر قوة الاحتكاك هذه في الاتجاه المعاكس للسرعة المتجهة الابتدائية للكرة. ومن ثم، فإن هذه الحالة تشبه إلى حد كبير الحالة الأولى التي تناولناها حيث أثرت قوة غير متوازنة على الجسم. ولهذا السبب، عندما تتحرك الكرة من اليسار إلى اليمين، فإنها تتباطأ وتتوقف في النهاية.

وأخيرًا، علينا أن ننظر في أمر آخر بشأن قانون نيوتن الأول للحركة. عندما نتحدث تحديدًا عن جسم يتحرك منذ البداية بسرعة متجهة ثابتة، نعرف أن القوة غير المتوازنة المؤثرة على هذه الكرة ستتسبب في تغير سرعة الكرة. لقد تناولنا بالفعل ما يحدث للكرة إذا أثرنا بقوة غير متوازنة في نفس اتجاه السرعة المتجهة للجسم، وكذلك إذا أثرنا بقوة غير متوازنة في الاتجاه المعاكس لاتجاه السرعة المتجهة للجسم. ومع ذلك، فالسرعة المتجهة والقوة كميتان متجهتان. وتعرف الكمية المتجهة بأنها كمية لها مقدار واتجاه.

لقد رأينا بالفعل كيف تؤدي القوة المؤثرة في نفس اتجاه السرعة المتجهة الابتدائية للجسم إلى زيادة سرعته، وكيف تؤدي القوة المؤثرة في الاتجاه المعاكس للسرعة المتجهة الابتدائية للجسم إلى تباطئه. لكن ماذا يحدث إذا أثرنا بقوة غير متوازنة على الجسم في اتجاه عمودي على سرعته المتجهة الابتدائية؟ حسنًا، في هذه الحالة، لن يتغير مقدار السرعة المتجهة للجسم. فلن يزيد من سرعته أو يبطئ منها. لكن اتجاه حركة الجسم هو ما يتغير في الواقع. في الحقيقة، هذا الوضع القائم هنا حيث تكون القوة عمودية على السرعة المتجهة باستمرار، شرط أساسي للحركة الدائرية. بعبارة أخرى، سيتحرك الجسم في مسار دائري، إذا كانت السرعة المتجهة، عند كل نقطة في هذا المسار، عمودية على اتجاه القوة المؤثرة.

ونلاحظ هنا أن هذا لا يخالف قانون نيوتن الأول للحركة. فالجسم الذي كانت سرعته المتجهة الابتدائية ‪𝑣‬‏ في اتجاه اليمين ستكون له سرعة متجهة مختلفة عند نقطة ما لاحقًا، وبالتحديد سرعة متجهة لا يزال مقدارها ‪𝑣‬‏، لكن عند هذه النقطة مثلًا فإنها تتجه لأسفل. وهذا كله بسبب القوة غير المتوازنة التي أثرنا بها على الجسم. بعبارة أخرى، لا يلزم أن تسبب القوة غير المتوازنة زيادة سرعة الجسم أو إبطاءها. فقد تؤدي أيضًا إلى تغير اتجاهه. وبذلك، نكون قد تناولنا أساسيات قانون نيوتن الأول للحركة.

والآن، بعد أن تناولنا هذا القانون بقدر لا بأس به من التفصيل، فلنلخص ما تناولناه في هذا الدرس. عرفنا أولًا أن قانون نيوتن الأول للحركة ينص على أن الجسم الساكن سيبقى ساكنًا، والجسم المتحرك بسرعة متجهة ثابتة سيبقى متحركًا بهذه السرعة المتجهة ما لم تؤثر عليه قوة غير متوازنة. رأينا أيضًا أن الجسم تؤثر عليه قوة غير متوازنة إذا لم تساو محصلة جميع القوى المؤثرة على الجسم صفرًا. وهذا هو ملخص قانون نيوتن الأول للحركة.