قوانین حرکت نیوتن: روابط و کاربردها
- Mojtaba
- 30 شهریور 1399
- 20:53
- 2 Comments
در این مقاله به معرفی قوانین حرکت نیوتن به همراه مثالهای کاربردی میپردازیم. قوانین حرکت نیوتن حدود 330 سال پیش ارائه شده و تا به امروز در بسیاری از زمینههای مهندسی مورد استفاده قرار میگیرد.
سر ایزاک نیوتون، متولد 1643، فیزیکدان و دانشمند مشهور انگلیسی است. سهم وی در عرصه فیزیک سرآمد بوده است. در سال 1687، نیوتن اصول ریاضیات طبیعی را منتشر کرد، به موجب آن سه قانون حرکت را پیشنهاد داد. این سه قانون فیزیکی سنگ بنای “مکانیک کلاسیک” را بنا نهاد. وی توضیح منطقی درباره ایدههای گالیله و ارسطو ارائه داد که فقط نظریههایی در گذشته بوده است. ایزاک نیوتن برای تدوین قوانین حرکت، با اجسام عظیم به عنوان نقاط ریاضی رفتار کرد. این نقاط ریاضی هیچ اندازه و چرخشی نداشتند، که به او اجازه میداد عوامل اضافی مانند اصطکاک، مقاومت هوا و دما را نادیده بگیرد و فقط جرم، طول و زمان جسم را در نظر بگیرد. با این حال، سه قانون فیزیکی را نمیتوان برای اشیا بسیار سنگین و تغییرشکلپذیر اعمال کرد. با این وجود، آنها تقریب مناسبی را در این موارد ارائه میدهند.
در ادامه درباره “سه قانون نیوتن” بحث میکنیم. با ما همراه باشید.
ویدئوی فوق از آموزش کامل درس دینامیک بصورت تقطیع شده است. برای تهیه ویدئوی کامل آموزش درس دینامیک از طریق لینک زیر اقدام نمائید. 👇👇
آموزش دینامیک به زبانی کاملا ساده توسط رتبه برتر المپیاد!
قانون اول نیوتن
قانون اول حرکت بیان میکند که یک جسم در هر حالتی (سکون یا حرکت) باشد به حالت خود ادامه میدهد. به شرطی که برآیند نیروهای وارد بر جسم صفر باشد.
- جسمی که در حالت سکون به سر میبرد برای اینکه آن را به حرکت دربیاید، باید یک نیروی خارجی به آن وارد شود.
- جسمی که در حال حرکت است به حرکت مستقیم خود ادامه میدهد. با این حال، این گفته ممکن است کمی خلاف تجربه زندگی روزمره ما باشد وقتی میبینیم که یک توپ روی زمین ناهموار میغلتد و ناگهان آرام میگیرد. آنچه اتفاق میافتد این است که نیروی خارجی، که بر روی توپ غلتکی تأثیر میگذارد، در جهت مخالف قرار دارد، یعنی اصطکاک، و بنابراین، آن را عقب میاندازد.
- برای تغییر حالت اصلی و همچنین حرکت یک جسم نیرو لازم است.
اولین قانون نیوتن به عنوان “قانون اینرسی” نیز شناخته میشود. اینرسی توانایی ذاتی جسم به حفظ حالت اصلی خود است. در واقع با هرگونه تغییر در وضعیت خود مخالف است. از نظر ریاضی، اینرسی یک جسم مستقیماً با جرم آن متناسب است. بنابراین، اجسام سنگینتر برای تغییر وضعیت به نیرو بیشتری نیاز دارند.
کاربردهای اولین قانون حرکت نیوتن
- یک سکه روی یک کارت که یک لیوان را میپوشاند قرار دارد. با حرکت تند و ناگهانی کارت، سکه به داخل لیوان میریزد. این اتفاق میافتد زیرا سکه به دلیل اینرسی هنوز در حالت سکون است.
- گرد و غبار فرش با آویختن فرش و ضرب و شتم آن با چوب از بین میرود. وقتی فرش مورد ضرب و شتم قرار گرفت، به عقب و جلو حرکت میکند. ذرات گرد و غبار موجود در فرش به دلیل اینرسی سکون در حالت سکون باقی مانده و از این رو میریزند.
- مسافران نشسته در اتوبوس با شروع حرکت اتوبوس یک حرکت تند ناگهانی را تجربه میکنند. این اتفاق میافتد زیرا اینرسی سکون، که در قسمت بالای بدن مسافران تأثیر میگذارد. هنگامی که اتوبوس شتاب میگیرد آنها را عقب میاندازد.
- هنگام شلیک گلوله یک سوراخ تمیز روی شیشه پنجره شیشه ایجاد میشود. در حالی که یک پنجره شیشهای وقتی سنگی به آن برخورد میکند به قطعات ریز تبدیل میشود. سنگ با سرعت کمتری برای مدت زمان طولانی تری با پنجره شیشهای در تماس است. در حالی که ذرات شیشه پنجره شیشهای نزدیک سوراخ قادر به حرکت سریع گلوله نیستند و از این رو بدون مزاحمت باقی میمانند. بنابراین، یک سوراخ روی شیشه پنجره حک شده است.
- یک ورزشکار معمولاً قبل از پرش از راه دور مسافتی میدود. او این کار را برای غلبه بر اینرسی سکون و بدست آوردن حرکت انجام میدهد. از این رو در زمان پرش سرعت بیشتری دارد.
- هنگام جدا کردن سس گوجه فرنگی از پایین بطری، بطری با حرکت سریع وارونه شده و رانش مییابد. رانش به کچاپ موجود در پایین کمک میکند تا به اینرسی حرکت برسد. حال، هنگامی که رانش به طور ناگهانی متوقف میشود، سس گوجه فرنگی که هنوز در حرکت است از بطری خارج میشود.
برای تهیه جزوه تایپ شده و دقیق فیزیک هالیدی کلیک کنید!
قانون دوم نیوتن
قانون دوم حرکت بیان میدارد که شتاب جسم در حال حرکت به جرم جسم و همچنین نیرویی که بر جسم وارد میشود بستگی دارد. F = ma، که در آن، F نیرو، m جرم و a شتاب میباشد.
- نیروهای خارجی نیروهایی هستند که بر روی جسم عمل میکنند.
- فقط نیروهای خارجی هستند که مسئول ایجاد هرگونه تغییر در وضعیت جسم هستند.
- نیروی اعمال شده مستقیماً با جرم جسم و شتاب متناسب است.
کاربرد قانون دوم حرکت نیوتن
- شما در هل دادن ماشین به نیروی بسیار بیشتری در مقایسه با نیروی مورد نیاز برای حرکت یک توپ فوتبال نیاز دارید.
- بلند کردن جعبهای به جرم 20 کیلوگرم برای یک نفر بسیار دشوار است، در حالی که همان جعبه را میتوان به راحتی توسط چند نفر بلند کرد. از آنجا که تعداد افراد بیشتر، میزان نیرو بیشتر خواهد بود و از این رو میتوان جعبه را با مشکل کمتری برداشت.
- بازی طناب کشی را در نظر بگیرید، دو تیم طنابها را در جهت مخالف میکشند. اما حرکت طناب در نتیجه نیروی خالص روی طناب خواهد بود. نیروی خالص به نوبه خود توسط اختلاف نیرویی که دو تیم اعمال میکنند تعیین میشود. هر کدام از تیمها که سختتر میکشند یا نیروی بیشتری اعمال میکنند، پیروز میشوند.
قانون دوم نیوتن به عنوان “قانون واقعی” نیز خوانده میشود زیرا دو قانون دیگر را میتوان با کمک قانون دوم توضیح داد. واحد نیروی SI نیوتن (N) است.
قانون سوم نیوتن
قانون سوم حرکت میگوید که برای هر عملی، عکس العملی برابر و خلاف جهت آن وجود دارد.
- نیرو همیشه به صورت جفت وجود دارد. یک نیروی منفرد نمیتواند وجود داشته باشد.
- اگر دو جسم بر هم کنش داشته باشند، نیرو، F12، بر جسم 1 توسط جسم 2 وارد میشود. و نیروی عمل نامیده میشود. اما نیروی F21 است توسط جسم 1 بر جسم 2 وارد میشود. این نیرو واکنش نامیده میشود. از نظر مقدار دو نیروی F21=F12 اما در جهات مخالف میباشند.
- اگرچه کنش-واکنش برابر و متضاد هستند، اما هرگز یکدیگر را لغو نمیکنند.
کاربرد قانون سوم حرکت نیوتن
- راه رفتن روی سطح زمین را درنظر بگیرید. هنگام راه رفتن، نیرویی از سمت پا به زمین وارد میشود. دقیقاً مؤلفهی افقی نیروی عکسالعمل زمین است که ما را قادر به راه رفتن، حرکت به جلو و دویدن میکند. در واقع، ما نیروی عکسالعمل زمین ما را به جلو هل میدهد.
- گازهایی که به دلیل سوزاندن سوخت در یک موشک به سمت پایین پرتاب میشوند، یک عکسالعمل رو به بالا دارند که عامل رانش موشک به سمت بالا است. به همین راحتی حرکت یک موشک ایجاد میشود.
- عملکرد آبپاش چمن دورانی بر اساس قانون سوم نیوتن است. آب خارج شده از نازل در جهت عقب یک نیروی هماندازه و مخالف اعمال میکند. این باعث چرخش آبپاش در جهت مخالف میشود و از این رو، آب در همه جهات پراکنده میشود.
- وقتی مردی از یک قایق به پایین ساحل میپرد، قایق به عقب حرکت میکند.
- یک آتش نشان مجبور است لوله را محکم نگه دارد تا از عقب رفتن آن جلوگیری کند. همانطور که آب از لوله خارج میشود آن را به عقب هل میدهد.
اعتبار قوانین حرکت نیوتن
قوانین پیشنهادی نیوتن فقط برای موارد زیر معتبر است:
- قابهای اینرسی یا قابهای غیر شتاب دار.
- در صورتی که خود سیستم دارای شتاب باشد بایستی از قوانین حرکت نسبی استفاده شود.
- اجسام صلب، که از خود تغییرشکل نشان نمیدهند.
- اجسامی که با سرعت کوچکتر از سرعت نور حرکت میکنند.
- اجسام به اندازه بزرگتر از اندازه اتم.
جمعبندی
در این مقاله قوانین حرکت نیوتن را مورد بررسی و توضیح قرار دادیم. همچنین سعی شد از مثالهایی قابل درک برای هر موضوع استفاده شود. امیدواریم که این محتوای علمی مورد استفاده و رضایت شما قرار گرفته باشد. ضمناً در وبلاگ گام98 مطالب متنوعی درباره فیزیک و حرکت منتشر میشود. در این راستا شما را به مطالعه این مطالب دعوت میکنیم.
لطفا نظرات خودتون رو درباره این مقاله با ما در میان بذارید.
این مقاله آموزشی به کوشش تیم تولید محتوای علمی گام98 در راستای ارتقای دانش و استفاده از آن نوشته شده است. درصورتی مفید بودن این مطلب آن را برای دوستان خود به اشتراک بذارید.
2 دیدگاه
به گفتگوی ما بپیوندید و دیدگاه خود را با ما در میان بگذارید.