تعريف قانون نيوتن الثاني

علم الفيزياء

يُعرف علم الفيزياء لغةً بعلم الطبيعة، وهو علمٌ له تاريخ، وعرفه الإنسان في الأصل على أنه علم قائم على دراسة ما يخص الحركة والطاقة والمادة، كما يبحث في الظواهر الطبيعية، ويقوم بصياغة مجموعة من القوانين المفُسرة للعديد من النظريات والظواهر التي من الصعب اختبارها، ويتعمق علم الفيزياء في دراسة بعض المفاهيم المعقدة كالفضاء والزمن، ويتعامل كذلك مع الطاقة، والشحنة، والكتلة، والقوة، ويعُد علمًا متصلاً بمجموعة من العلوم الأخرى بصلة قوية؛ ومنها على سبيل المثال علم الكيمياء، والرياضيات، والعلوم الحياتية الطبيعية، وتعتبر جميع الاختراعات بمثابة نتاجًا علميًا لتطور ذلك العلم؛ كاختراع التليفزيون، والهاتف، والحاسوب، والمايكرويف، والتصوير بالرنين المغناطيسي.

قوانين علم الفيزياء

يُعتبر كل من: قانون أوم، وقانون كولوم، و قانون أمبير، وقانون ارخميدس، وقانون شارل، وبويل، وقانون فاراداي، وقانون لنز، وقوانين نيوتن الثلاث في الحركة؛ هي أهم القوانين الفيزيائية، ويُعد قانون أوم ضمن تلك القوانين على سبيل المثال هو القانون الأساسي لقوانين الكهرباء، وضعه الألماني سيمون أوم، وينص هذا القانون على أنه عند مرور التيار الكهربائي بين طرفيّ ناقل معدني، وتكون النتيجة أن فرق الجهد الكهربائي يتناسب بصورة طردية مع شدة ذلك التيار المار، ويتم الرمز لتلك العملية بالرموز التالية V=IR، وكل رمز من هذه الرموز له دلالة معينة؛ فالرمز V يشير إلى فرق الجهد الكهربائي، ويتم قياسه بالفولت، أما عن عن الرمز I فإنه بمثابة إشارة إلى شدة التيار الكهربائي، ويتم قياسه بالأمبير، وأخيرًا الرمز R يشير إلى مقاومة الناقل المعدني، ووحدة القياس فيه هي الأوم.

قوانين نيوتن

وضع العالم الكبير إسحاق نيوتن الذي أحدث ثورة كبيرة في عالم الفيزياء ثلاثة قوانين في الحركة؛ من أجل ربط أثر القوة على حركة الأجسام سواء المتحركة أو الساكنة، ومن المعروف أن اسحاق نيوتن سادت نفوذه كافة العصور، واستنبط أفكاره من مجموعة من العلماء السابقين له؛ أمثال أرسطو، وغاليليو، وتمكن من تنفيذ أفكاره وتجاربه التي كانت مجرد فكرة لها صورة ذهنية في عقله من تنفيذها فعليًا.

 مفهوم قانون نيوتن الثاني 

 يُعرف قانون نيوتن الثاني بإنه ذلك القانون الفيزيائي الذي ينص على أن الأجسام الساكنة تبقى كما هي دون تغيير طالما لم تؤثر عليها قوة أخرى خارجية تحركها، وأن الأجسام المتحركة بسرعة محددة وثابتة في خط مستقيم تبقى في نفس السرعة والحركة في خط مستقيم طالما لم تؤثر عليها قوة خارجية تعدل من تلك الحالة الحركة وتغيرها.

 الجدير بالذكر أن قانون نيوتن الثاني للحركة يُطلق عليه اسم قانون التسارع؛ وهو يُعني تناسب جميع القوى المؤثرة لتحريك أي جسم مع السرعة في الاتجاه نفسه، ويبدو أن هذا القانون بسيطًا بالنسبة للكثير، ولكنه يعتبر واحدًا من أبرز وأهم القوانين في الفيزياء، ووفقًا لوكالة ناسا فإن قانون نيوتن ينص على أن القوة تعادل التغير في الزخم لكل تعديل في الوقت أو تغيير، أما عن الكتلة الثابتة؛ فإنها تعادل القوة تسارع أوقات الكتلة.

 مفاهيم قانون نيوتن الثاني

•  السرعة والتسارع Acceleration and velocity: يذّكر قانون نيوتن الثاني أنه عندما يخضع جسم ما كبير من حيث الحجم إلى قوة ثابتة؛ فإن ذلك يعمل على زيادة نسبة سرعتها بمعدل ثابت، وبطريقة أخرى يمكن القول أن السرعة هي تلك المسافة الموحدة أو الثابتة التي يقوم الجسم بقطعها في مدة معينة من الزمن في اتجاه واحد، وفي حالة زيادة تلك السرعة فإنها تُعرف بالتسارع.
• الكتلة Mass: تعني في قانون نيوتن الثاني مقدار الأجسام التكويني أو الكمية التي يتكون منها الجسم من حيث العدد أو الكمية العددية، وتعني بطبيعة الحال عدم توحيد الاتجاه الخاص بها، وميزتها بالنسبة للأجسام تكمّن في عدم تأثرها بالموقع، فلا تتغير ولا تختلف بتغيره واختلافه، فكتلة القمر مثلًا تبقى كما هي دون تغيير سواء كان على القمر أو الأرض، أو غير ذلك، بينما يختلف الوزن في الأماكن المتعددة.
•  القوة الصافية Net Force: يُقصد بها القوة التي تؤثر على الجسم، وهي غير متوازنة؛ أي عندما يكون هناك تأثير لقوتين أو فيما هو أكثر تصبح النتيجة هي القوة الصافية وفقًا لقوانين نيوتن، ويمكن لجميع المؤثرات التي لها سرعة وحجم كذلك مع اتجاه القوة الصافية تحريك الكائن، فإن تأثير القوة الصافية يكمن ويتمثل في تحريك الجسم الساكن، بينما يكمن تأثير تلك القوة على الجسم المتحرك في تسارعه.

ملخص قانون نيوتن الثاني

يتلخص قانون نيوتن الثاني في النص على مدى تأثير القوى أو مجموعة القوى على جسم ما، يكتسب على أثرها الجسم درجة تسارع معينة تتناسب مع كتلة القصور الذاتي لذلك الجسم F=ma، والتسارع والقوة كميات متجهة، بمعنى آخر يتم تحديدها باتجاه ومقدار.

يرمز كل حرف من تلك الحروف ويشير إلى رمز معين؛ فرمز F يشير إلى القوة المحصلة، ويتم قياسها بوحدة القياس النيوتن، أما عن الحرف M فيرمز إلى كتلة القصور الذاتي للجسم؛ أي كتلة الجسم، ويتم استخدام الغرام أو الكيلو غرام كوحدة للقياس في تلك الحالة، أما عن الرمز a فإنه يرمز إلى تسارع الجسم، ويتم استخدام المتر/ ثانية تربيع كوحدة قياس لها.

 اعتماد قانون نيوتن الثاني 

يعتمد قانون نيوتن الثاني على توضيح حركة الأجسام عند تعرضها لقوى غير متوازنة، فسرعة الجسم تزداد إذا ما تعرض لقوة صافية تتناسب بصورة طردية مع مقدار كلّ من اتجاه ومقدار تلك القوة، وتتناسب بصورة عكسية مع الكتلة؛ أي كتلة الجسم، في الوقت الذي لابد من الإشارة فيه إلى عنصر السرعة التي تختلف باختلاف كلّ من الكتلة والقوة، فعند التأثير على جسمين مختلفين من حيث الكتلة بقوة واحدة يكون التأثير مختلف بطبيعة الحال، حيث تكون الحركة أكثر بروزًأ وسرعة على الكتلة الأصغر حجمًأ، وبمعنى آخر إذا كان هناك تأثير من قوة ما على أي جسم؛ فإنها تكسب ذلك الجسم تسارعًا، تربطه علاقة طردية مع القوة، وعلاقة عكسية مع الكتلة.

 نموذج تطبيقي لقانون نيوتن الثاني 

إن نموذج هذا القانون يمكن تقديمه من خلال عرض مثال دراجتين متشابهين؛ إحداهما محملة بشيئًا ما كالطوب أو غيره، والثانية غير محملة وفارغة، يتم ملاحظة وصول الفارغة بصورة أسرع من الدراجة الأخرى، لأن الطوب يزيد من كتلة الدراجة الثانية، وتقل السرعة إذا ما تم مقارنتها بالدراجة الفارغة، كما أنها ستحتاج إلى قوة أكبر من أجل تحقيق عامل زيادة السرعة، وهذا ما يعكس العلاقة بين زيادة الكتلة ومقدار القوة اللازمة لسرعة الجسم.

الجدير بالذكر أن هناك حاجة ملحة إلى التغيير أو التعديل في هذا القانون في حال أخذ النسبية الخاصة في الاعتبار، وذلك لكون السرعات العالية يكون فيها التعبير عن كمية الحركة التي تكون ناتج حاصل ضرب الكتلة والسرعة غير دقيق.

تطبيقات على قانون نيوتن الثاني

يركز قانون نيوتن الثاني، ويتم تطبيقه من جانب المهندسين، ويدخل استخدامه في تصميم الآلات، والمنتجات، والهياكل، وغير ذلك؛ كالجسور والأبراج، والآت الكرة، وأسرة الأطفال، والدبابيس، ويتم الاعتماد على مثل هذا القانون في تنفيذ التطبيقات التي تخص رياضيات الهندسة الميكانيكية، وتصميم الهياكل، وعمل آلة أتوود attood machine.

 القانون الأول والثاني والثالث

تعتبر قوانين نيوتن الثلاث للحركة عبارة عن مجموعة قوانين فيزيائية يُبنى عليها أساس علم حركة الأجسام، ويمكن تلخيص قانون نيوتن الأول في أن الجسم يبقى كما هو ساكنًا مالم تؤثر عليه أي قوى، فيبقى الجسم الساكن ساكنًا، وعلى العكس يبقى الجسم المتحرك متحركًا، ولا تتغير سرعة الجسم المتحرك ما لم تؤثر عليه قوة خارجية، ويطلق على هذا الأمر الحركة المنتظمة التي لا تتغير فيها حركة الجسم المتحرك طالما لم يكن هناك تغييرًا في الاتجاه أو السرعة، وينص هذا القانون على أنه إذا كان المجموع الاتجاهي للقوى التي تؤثر على الجسم تساوي صفر، فإن سرعة الجسم في هذه الحالة تبقى ثابتة.

ينص قانون نيوتن الثالث باختصار على أن لكل فعل رد فعل معاكس له في الاتجاه، ولكن مساوٍ له في المقدار، بمعنى أن جميع القوى بين جسمين تكون متضادة في الاتجاه، ومتساوية في المقدار؛ أي أن القوة المؤثرة على الأجسام المختلفة هي قوى متبادلة.

ما هو قانون القوة

تعرف القوة بأنها المؤثر الخارجي الذي يؤثر على الأجسام بطريقة مباشرة ويعمل على تغيير حالة الجسم، إذ يعمل على التقليل من حركته أو يزيدها، أو يغير اتجاهه، أو موضعه،، ويمكن الإجابة عن سؤال ما هو قانون القوة بأنه عبارة عن القانون الذي ينص على أن القوة تساوي كتلة الجسم مضروبة ي في تسارع، ويتم التعبير عن هذا القانون بمجموعة من الرموز حيث أن ك×ت=ق، ويرمز ك إلى كتلة الجسم بالكيلو غرام، بينما يرمز ت إلى تسارع الجسم، ويرمز ق للقوة الواقعة على الجسم والتي تقاس بوحدة نيوتن. وتنقسم القوى إلى ثلاثة أنواع وهي:

• قوة الجاذبية الأرضية: تم إكتشاف هذه القوة من قبل العالم نيوتن، والذي لاحظ سقوط الأجسام على الأرض مباشرة باختلاف كتلتها، وتعمل قوة الجاذبية الأرضية على إضافة وزن للأجسام، بحيث تمنعها من التحليق للفضاء وتجعلها ترجع إلى الأرض دائماً، وقد اكتشف العالم نيوتن بأن قوة الجاذبية الأرضية تقل كلما إبتعدت الأجسام عن سطح الكرة الأرضية، وهذا ما يفسر عدم قدرة رواد الفضاء على التوازن في الفضاء الخارجي.
• قوة الإحتكاك: وهي القوة التي تنشأ نتيجة المقاومة التي تحدث عند تحريك سطحين متلاصقين باتجاهين متعاكسين عندما يكون بينهما قوة ضاغطة تعمل على تلاحمهم معًا، وينتج من هذه القوة كمية من الحرارة، وتحدث قوة الإحتكاك بين المواد السائلة، والصلبة، والغازية أيضًا.وهناك أنواع عديدة من الإحتكاك يمكن تلخيصها بما يلي:
  • الإحتكاك الجاف: ويمكن تعريفه بانه القوة المعارضة للحركة النسبية بين سطحين صلبين في اتصال مع بعضهما.
  • الإحتكاك الرطب: ويحدث هذا النوع بين طبقات المائع اللزج والتي تكون في حركة نسبية مع بعضها.
  • الإحتكاك الزلق: وهو حالة من احتكاك المائع حيث يفصل مانع زيتي بين السطحين.
• قوة الشد: تعمل هذه القوة على تغيير حالة الأجسام من السكون إلى الحركة ومن الحركة إلى السكون.

رمز قانون نيوتن الثاني

يكتب رمز قانون نيوتن الثاني بشكل رياضي F=ma، تشير هذه الرموز إلى القوة، والكتلة، والتعجيل، حيث أن الرمز F يشير إلى القوة، ورمز m يشير إلى الكتلة، ورمز a يشير إلى التعجيل،ويعتبر هذا القانون ثورة علمية حيث أنه استطاع أن يربط بين ثلاثة مفاهيم مختلفة في صيغ رياضية، وينص قانون نيوتن الثاني على أنه إذا أثرت قوة ثابتة على جسم معين ذو كتلة فإنها تعمل على زيادة تسارعه،حيث أن القوة المؤثرة على الجسم تكسبه تسارعًا يتناسب طرديًا مع قوته، وعكسيًا مع كتلته مما يؤدي إلى تغير معدل تسارعها بشكل ثابت، وتشير الرموز في المعادلة الرياضية على أن القوة والتعجيل عبارة عن كميات متجهة؛ ويعني ذلك أن للقوة والتعجيل مقدار واتجاه.وهناك حالة واحدة ثابتة يواجهها العلماء وهي الحالة الناتجة عن القوة الناتجة عن تعجيل الجاذبية، وفي هذه الحالة يتسبب الجسم بقوة هابطة على الأرض، وفي هذه الحالة يتغير رمز التعجيل في المعادلة ليصبح g بدلاً من الرمز a، ويتم كتابة المعادلة الرياضية في هذه الحالة F=mg،وعلى الرغم من أن قانون نيوتن الثاني يظهر وكأنه بسيط لكنه من أهم القوانين الفيزيائية والتي تستخدم في توضيح حركة الأجسام عندما تتعرض لقوى غير متوازنة ويمكن تلخيص قانون نيوتن الثاني في ثلاث حالات وهي:

• الحالة الموجبة للتسارع: تطلق عندما يكون التسارع في نفس اتجاه حركة الجسم، وهو يعني ازدياد السرعة مع مرور الزمن.
• الحالة السالبة للتسارع: وهي حالة إنخفاض السرعة مع مرور الزمن، والجدير بالذكر أنه في هذه الحالة أن السرعة تتناقص تدريجيًا حتى تتوقف تمامًا عن الحركة.
• حالة التسارع صفر: وهي حالة الجسم في وضع السكون أي بدون أي حركة، وفي هذه الحالة تكون السرعة ثابتة ولا تتغير مهما تغير الزمن.

الجدير بالذكر بأن قانون نيوتن الثاني يحتاج إلى تعديل النسبية الخاصة في الإعتبار ؛ لأنه عند السرعات العالية فإن التعبير عن كمية الحركة التي هي عبارة عن حاصل ضرب الكتلة والسرعة يكون غير دقيق.

قانون نيوتن الثاني مثال

قانون نيوتن الثاني مثال على العديد من الأعمال التي نقوم بها في حياتنا اليومية، كما أن هناك العديد من التطبيقات التي يقوم بها المهندسيين بتطبيق قانون نيوتن الثاني في مجال عملهم وفيما يلي سنذكر أهم الأمثلة التي يتم من خلالها تطبيق قانون نيوتن الثاني:

أمثلة رياضية على قانون نيوتن الثاني

مثال: عًلق على أطراف حبل كتلتان إحداهما تساوي 3 كيلوغرام، والأخرى تساوي 5 كيلو غرام، ثم مرر الحبل حول بكرة ملساء، من خلال ماتم ذكر جد مايلي:

• تسارع المجموعة.
• قوة الشد في الخيط

الحل: بما أن وزن الكتلة الثانية أكبر من وزن الكتلة الأولى، فإن الكتلة الثانية الثانية ستكون نحو الأسفل أما الكتلة الأولى ستكون نحو الأعلى. قوة المجموعة= كتلة المجموعة×تسارع المجموعة.

(كتلة الجسم الأول+ كتلة الجسم الثاني)×تسارع المجموعة.

50-30=(3+5)×التسارع. التسارع =2.5 م/ث^2.

أمثلة من الحياة اليومية

• دفع العربة: يعتبر دفع العربة تطبيق لقانون نيوتن الثاني حيث أن دفع العربة بضعف القوة يعمل على ضعف التسارع.
• حركة بعض الأشخاص معًا: يمكن تطبيق قانون نيوتن الثاني على شخصان يمشيان معًا، ولكل منهما وزن مختلف، فعلى الرغم من أنهما يمشيان بنفس مقدار القوة، إلا أن الشخص الذي يمتلك وزن أقل ستكون سرعته أعلى من الشخص الثاني لأن تسارعه أكبر.
• لعبة الجولف: يعتبر ملعب الجولف مثال واضح على قانون نيوتن الثاني حيث أن الكرة المطبقة مع المضرب تتناسب تناسب طردي مع قوة المضرب، وتتناسب تناسب عكسي مع كتلتها، كما تؤثر قوة الهواء على مسار هذه الكرة حيث قد تؤدي إلى تغير اتجاهها تغير بسيط في بعض الأحيان.
• قيادة دراجة هوائية: يعتمد تسارع الدراجة الهوائية على القوة المبذولة من قبل الشخص، فكلما زادت قوة الشخص زاد تسارع الدراجة.

تسارع الجسم حسب القانون الثاني في الحركه لنيوتن

تسارع الجسم حسب القانون الثاني في الحركه لنيوتن يعرف باسم قانون التسارع، وقد كان العالم غاليلو قد أجرى عدة تجارب تثبت أن جميع الكتل تتسارع بنفس المعدل بغض النظر عن الحجم أو الكتلة، إلا أن العالم نيوتن توسع في هذه التجارب واستطاع بذلك وضع قوانين وقواعد رياضية لحركة الكتل بشكل عام، وسنقوم فيما يلي بشرح تسارع الجسم حسب القانون الثاني في الحركه لنيوتن:

• ينص قانون التسارع بأن تسارع الجسم تتغير سرعته بمعدل ثابت عندما تطبق عليه قوة ثابتة، أي تعمل على تسريعه.
• في حال تعرض جسم ساكن لتأثير قوة معينة فإن هذه القوة تعمل تعمل على تسارع الجسم في اتجاه واحد. 
• ينص قانون التسارع على أن القوة تؤثر على الجسم المتحرك بشكل متسارع أو متباطئ أو مغيرة لاتجاهه معنمدًا على اتجاه القوة، واتجاهات حركة الجسم، والإطار المرجعي بالنسبة للقوة والجسم.
• يتم تطبيق القوى على الأجسام لفترة زمنية محددة ينتج عنها ما يسمى بالدافع أو الاندفاع، ويمكن تعريف الإندفاع على أنه تكامل القوة بالنسبة للزمن.
• تواجه الأجسام المتحركة وفقًا لقانون التسارع قوة واحدة ثابتة وهي القوة الناتجة عن تعجيل الجاذبية الأرضية، والتي تسبب بذل الجسم لقوة هابطة على الأرض.

تطبيقات هندسية على تسارع الجسم حسب قانون نيوتن الثاني

• تصميم بعض الهياكل الهندسية: يحتاج المهندسون قانون نيوتن الثاني عند القيام بتصميم الهياكل التي تدخل في العديد من الصناعات، ويستخدم القانون في حساب القوى المؤثرة على بعض المفاصل التي تستخدم في إطارات المباني والجسور وغيرها.
• آلة أتوود: يمكن تعريف هذه الآلة بأنها عبارة عن آلة بسيطة يتم صناعتها يدويًا، وتتكون هذه الآلة عادةً من حبل ممدود يحمل هذه الحبل في أطرافه أوزان متساوية، ويعتمد مبدأ عمل هذه الآلة على قانون نيوتن الثاني .