| نیوتن با سه قانون معروف خود درباره حرکت پایه‌های مکانیک کلاسیک را طوری مستحکم کرد که هنوز هم با گذشت سالها این قوانین در زندگی روزمره بشر و در علوم مختلف کاربردهای فراوانی دارند. این قوانین در مورد حرکت و نیروهای دخیل در آن می‌باشد. |
دید کلی
مسئله
حرکت و علل آن از زمانهای قدیم مورد توجه
فلسفه طبیعی ، یا به اصطلاح امروز ،
فیزیک بوده است. اما تا زمان
گالیله و نیوتن ، در این زمینه پیشرفت چندانی حاصل نشد.
آیزاک نیوتن که در سال فوت گالیله در انگلستان متولد شد، معمار اصلی مکانیک کلاسیک است. نیوتن عقاید گالیله و سایر دانشمندان قبل از خود را کاملا به ثمر رسانید. کارهای نیوتن در این زمینه در سه قانون معروف او که زیر بنای مکانیک کلاسیک است، در کتاب او که به نام
اصول معروف است، منتشر شد.
قانون اول نیوتن
جسم آزمونی مانند یک قطعه مکعبی را روی یک سطح صاف قرار می‌دهیم. اگر این جسم را در امتداد سطح با اعمال یک نیروی خارجی به طرف جلو برانیم،
سرعت جسم رفته رفته کند می‌شود و سرانجام متوقف می‌شود. اما اگر جسم را روی سطحی که نسبت به سطح اول صافتر و صیقلی‌تر است، قرار دهیم. در این صورت کاهش سرعت جسم کمتر از حالت اول خواهد بود. اگر این آزمایش را با سطوح صیقلی‌تر تکرار کنیم، باز کاهش سرعت جسم کمتر می‌شود. حال اگر با استفاده از مواد روان‌ساز بتوانیم
اصطکاک سطح را به کمترین مقدار کاهش دهیم، در این صورت کاهش سرعت جسم خیلی کمتر صورت خواهد گرفت.
بنابراین می‌توان نتیجه گرفت که اگر به نحوی بتوانیم اصطکاک را به صفر برسانیم، جسم بدون کاهش سرعت به حرکت خود ادامه خواهد داد و این حرکت تا ابد ادامه خواهد یافت. بر این اساس
قانون اول نیوتن به صورت زیر بیان می‌شود:
«
هر جسم که در حالت سکون یا در حالت حرکت یکنواخت در امتداد خط مستقیم باشد، به همان حال باقی می‌ماند، مگر آنکه در اثر نیروهای خارجی مجبور به تغییر آن حالت شود. »
فرض کنید جسمی با جرم معین M ، با سرعت معین V ، بر روی یک سطح افقی در حال حرکت است. حال اگر بر این جسم نیرویی در امتداد حرکت آن وارد کنیم، سرعت جسم افزایش پیدا می‌کند. اگر مقدار
نیرو را افزایش دهیم، ملاحظه می‌شود که سرعت جسم نسبت به حالت اول بیشتر افزایش می‌یابد، اما اگر در خلاف جهت حرکت جسم بر آن وارد کنیم، این نیرو سبب می‌شود که سرعت جسم کاهش یافته و سرانجام جسم متوقف گردد.
بر این اساس گفته می‌شود که نیرو به جسم
شتاب می‌دهد. در حالتی که نیرو در جهت حرکت جسم وارد شود، در این صورت شتاب مثبت و یا به اصطلاح حرکت با
شتاب تند شونده است و در حالت دوم که نیرو در خلاف جهت حرکت وارد می‌شود، شتاب منفی بوده و حرکت با
شتاب کند شونده است. بنابراین نیرو سبب شتابدار شدن حرکت می‌شود.
قانون دوم نیوتن برای توضیح این حالت به صورت زیر بیان می‌شود:
«
هرگاه بر جسمی نیرویی وارد شود، جسم در جهت نیرو شتابی می‌گیرد که با نیرو نسبت مستقیم دارد. »
بعضی اوقات قانون دوم بر اساس تعریف
اندازه حرکت خطی (حاصلضرب جرم در سرعت حرکت جسم را اندازه حرکت خطی می‌گویند.) نیز بیان می‌شود. یعنی:
«
میزان تغییر اندازه حرکت خطی یک جسم نسبت به زمان ، با نیروی وارد بر آن متناسب و با آن هم جهت است. »
قانون سوم نیوتن
نیروهای وارد بر هر جسم از اجسام دیگری که محیط آن را تشکیل می‌دهد، ناشی می‌شوند. هر نیرو فقط یک جنبه از برهمکنش متقابل میان دو جسم را نشان می‌دهد. با آزمایش در می‌یابیم که هرگاه جسمی به جسم دیگر نیرو وارد کند، جسم دوم نیز همواره نیرویی به جسم اول وارد می‌کند. علاوه بر این مشاهده می‌کنیم که این نیروها از نظر بزرگی مساوی ، ولی در جهات مخالف هم قرار دارند. به عبارت دیگر ، وجود یک نیروی منزوی و منفرد محال است.
اگر یکی از نیروهایی را که در برهمکنش میان دو جسم شرکت می‌کنند،
کنش بنامیم. نیروی دیگر نیروی
واکنش خواهد بود. بر این اساس
قانون سوم نیوتن به این صورت بیان می‌شود که:
«
برای هر کنش همواره یک واکنش مساوی و مخالف وجود دارد، یا واکنشهای متقابل دو جسم بر هم ، همواره مساوی و در جهت مخالف یکدیگر قرار دارند. »
از آنجا که بعضی اوقات
نیروهای کنش و واکنش را عمل و عکس العمل نیز می‌گویند، لذا قانون سوم نیوتن به نام
قانون عمل و عکس العمل نیز معروف است.
مباحث مرتبط با عنوان
