القانون الثالث لنيوتن

الدرس ٢

القانون الثالث لنيوتن

قوة الفعل وقوة رد الفعل

يفسر القانونان الأول والثاني لنيوتن الكيفية التي تتغير بها حركة جسم ما، فإذا كانت القوى المؤثرة في الجسم متزنة، أي أن القوة المحصلة المؤثرة فيه تساوي صفراً، فإنه إن كان ساكناً يبقى ساكناً، وإن كان متحركاً استمر في حركته بسرعة متجهة ثابتة. أما إذا كانت القوى غير متزنة فسوف يتسارع الجسم في اتجاه القوة المحصلة. ويستطيع قانونا نيوتن الأول والثاني تفسير تسارع الجسم أو التغير في حركته، عندما تكون القوة المحصلة المؤثرة فيه معروفة.

أما القانون الثالث لنيوتن فيصف لنا شيئاً آخر يحدث عندما يؤثر جسم بقوة في جسم آخر. افترض أنك تدفع حائطاً بيدك، فقد تندهش إذا علمت أن الحائط يدفعك أيضاً، وفقاً للقانون الثالث لنيوتن في الحركة Newton’s Third Law of Motion، لكل قوة فعل قوة رد فعل مساوية لها في المقدار ومعاكسة لها في الاتجاه. فعندما تدفع الحائط بقوة ما فإن الحائط يدفعك بقوة مساوية لقوتك، ومعاكسة لها في الاتجاه. وإذا أثر جسم بقوة في جسم آخر فإن الجسم الثاني يؤثر في الجسم الأول بقوة مساوية لها في المقدار ومعاكسة لها في الاتجاه، كما يبين الشكل ١٢.

في هذا الدرس

الأهداف

• تحدد العلاقة بين القوى التي تؤثر بها بعض الأجسام في بعض.

الأهمية

• يمكن أن يوضح القانون الثالث لنيوتن كيف تطير الطيور، وكيف تتحرك الصواريخ.

مراجعة المفردات

القوة: الدفع أو السحب.
القوة المحصلة: هي مجموع القوى المؤثرة في جسم ما.

المفردات الجديدة

• القانون الثالث لنيوتن في الحركة

الشكل ١٢

تدفع الرافعة السيارة إلى أعلى، بالقوة نفسها التي تدفع بها السيارة الرافعة إلى أسفل.

حدد القوة الأخرى التي تؤثر في السيارة.

الصور

• الصفحة_122_قوة_الفعل_ورد_الفعل_رافعة_السيارة

الصفحة ١٢٣

قوة الفعل ورد الفعل لا تلغي إحداهما الأخرى

القوى التي يؤثر بها جسمان كل منهما في الآخر كثيراً ما يطلق عليها اسم أزواج الفعل ورد الفعل. وقد يتبادر إلى ذهنك أنه بما أن قوة الفعل مساوية لقوة رد الفعل في المقدار، ومعاكسة لها في الاتجاه، فإن إحداهما تلغي الأخرى، أي إن محصلتهما تساوي صفراً، إلا أن قوى الفعل لا تلغي إحداهما الأخرى؛ لأن كل واحدة تؤثر في جسم مختلف عن الآخر. وقد تلغي القوى بعضها بعضاً إذا كانت تؤثر في جسم واحد.

فعلى سبيل المثال، تخيل أنك تقود سيارة ألعاب كهربائية، وتصادمت مع زميلك الذي يقود سيارة أخرى، كما في الشكل ١٣. عندما تصطدم السيارتان تدفع سيارتك السيارة الأخرى بقوة، وفي الوقت ذاته تدفعك السيارة الأخرى بقوة مساوية في المقدار، ومعاكسة لها في الاتجاه. وكذلك الحال عندما تقفز؛ فإنك تدفع الأرض بقوة إلى أسفل، فتدفعك الأرض إلى أعلى بقوة مساوية لقوتك، وهذه القوة هي التي تمكنك من القفز. ويبين الشكل ١٤ مثالاً آخر على أزواج الفعل ورد الفعل. كما يوضح الشكل ١٥ أمثلة أخرى على قوانين نيوتن في الحركة في بعض الأحداث الرياضية.

الشكل ١٣

في هذا التصادم تؤثر السيارة الأولى بقوة في السيارة الثانية، وتؤثر السيارة الثانية بالقوة نفسها في السيارة الأولى، ولكن في اتجاه معاكس.

وضح هل اكتسبت السيارتان التسارع نفسه؟

العلوم عبر المواقع الإلكترونية

كيف تطير الطيور؟

ارجع إلى المواقع الإلكترونية الموثوقة عبر شبكة الإنترنت لتعرف معلومات حول طيران الطيور والحيوانات الأخرى.

نشاط

ارسم مخططاً يبين القوى المؤثرة في طير أثناء تحليقه.

الشكل ١٤

عندما يدفع الطفل الحائط برجليه، فإن الحائط يدفع الطفل في الاتجاه المعاكس.

الربط مع علم الأحياء

تمثل حركة الطيور في أثناء تحليقها القانون الثالث لنيوتن، فهي تدفع الهواء بجناحيها إلى الخلف وإلى أسفل. ووفقاً للقانون الثالث لنيوتن، يدفع الهواء الطائر في عكس الاتجاه أي إلى الأمام وإلى أعلى. وتبقي هذه القوة الطائر محلقاً في الهواء.

الصور

• الصفحة_123_تصادم_سيارتين_قوة_فعل_ورد_فعل
• الصفحة_123_دفع_حائط_المسبح_قوة_فعل_ورد_فعل

الصفحة ١٢٤

قوانين نيوتن في عالم الرياضة

الشكل ١٥

على الرغم من أن قوانين نيوتن في الحركة في كل حياته، إلا أنها تظهر بوضوح دائماً في عالم الرياضة.

وفقاً للقانون الأول لنيوتن فإن كل جسم متحرك يبقى متحركاً في خط مستقيم وسرعة ثابتة ما لم تؤثر فيه قوة محصلة، وإذا كان الجسم ساكناً يبقى ساكناً ما لم تؤثر فيه قوة محصلة. وينص القانون الثاني لنيوتن على أنه إذا أثرت قوة محصلة في جسم ما فإنها تكسبه تسارعاً في اتجاهها. وينص القانون الثالث لنيوتن على أن لكل قوة فعل قوة رد فعل مساوية لها في المقدار ومعاكسة لها في الاتجاه.

القانون الثاني لنيوتن

يضرب لاعب الجولف كرة الجولف فيؤثر فيها بقوة فتحركها في اتجاه تلك القوة، وهذا مثال على القانون الثاني لنيوتن.

القانون الأول لنيوتن

وفقاً للقانون الأول لنيوتن، لا يتحرك الغطاس بسرعة ثابتة في خط مستقيم، وذلك بسبب قوة الجاذبية الأرضية.

القانون الثالث لنيوتن

ينطبق القانون الثالث لنيوتن على الأجسام حتى وإن لم تتحرك؛ هنا لاعب جهاز يدفع جهاز المتوازي بقوة إلى أسفل، فيؤثر الجهاز في اللاعب بقوة مساوية لها نحو الأعلى.

الصور

• الصفحة_124_قوانين_نيوتن_في_الرياضة_لاعب_الجولف
• الصفحة_124_قوانين_نيوتن_في_الرياضة_الغطاس
• الصفحة_124_قوانين_نيوتن_في_الرياضة_لاعب_الجمباز

الصفحة ١٢٥

الشكل ١٦

القوة التي تؤثر بها الأرض في قدميك تسمى القوى التي تؤثر بها قدماك في الأرض. وإذا دفعت الأرض إلى الخلف بقوة أكبر، فإن الأرض تدفعك إلى الأمام بقوة أكبر.

بين اتجاه القوة التي تدفعك بها الأرض في حال وقوفك عليها ودفعك عليها بقوة ثابته.

التغير في الحركة يعتمد على الكتلة

في بعض الأحيان، لا يكون من السهل ملاحظة آثار قوى الفعل ورد الفعل؛ لأن أحد الجسمين ذو كتلة كبيرة، فيبدو أنه لا يتحرك عندما تؤثر فيه قوة، أي يكون قصوره وكسره كبيراً. إنك عندما تمشي إلى الأمام على سطح الأرض، كما في الشكل ١٦، فإنك تدفعها إلى الخلف، فتدفعك الأرض نحو الأمام. فكتلة الأرض كبيرة جداً بالمقارنة بكتلتك، لذا عندما تدفع الأرض بقدميك فإن تسارعها يكون صغيراً جداً، وهذا التسارع الصغير بحيث لا يمكن ملاحظة التغير في حركة الأرض في أثناء السير.

إطلاق الصواريخ

والآن لننظر في نوعية أخرى لأزواج مكونة معاً، واضح على القانون الثالث لنيوتن، حيث تولد محركات الصاروخ الثلاثة القوى التي يطلق عليها اسم قوة الدفع، وهي التي تعمل على انطلاق الصاروخ ورفعه. فعندما يشتعل الوقود تتولد غازات ساخنة، فتصطدم جزيئات الغاز بجدران المحرك الداخلية، كما في الشكل ١٧، فتؤثر الجدران فيها بقوة تدفعها إلى أسفل المحرك. ووفقاً للقانون الثالث لنيوتن، يؤثر كل قوى في الدفع إلى أسفل. أما قوة رد الفعل فهي دفع جزيئات الغاز لمحرك الصاروخ إلى أعلى. وقوة الدفع هذه هي التي تعمل على انطلاق الصاروخ إلى أعلى.

الشكل ١٧

يفسر القانون الثالث لنيوتن حركة الصاروخ، فيدفع الصاروخ جزيئات الغاز إلى أسفل، فتدفع جزيئات الغاز الصاروخ إلى أعلى.

الصور

• الصفحة_125_المشي_على_الأرض_قوة_الفعل_ورد_الفعل
• الصفحة_125_إطلاق_الصاروخ_قوة_الدفع
• الصفحة_125_جزيئات_الغاز_وحجرة_المحرك

الصفحة ١٢٦

الشكل ١٨

سواء أكنت واقفاً على الأرض، أو واقفاً داخل مصعد ولا تتحرك، فإن جاذبية المؤثرة في جسمك هي نفسها، ولكن يمكن أن يتغير وزنك الذي يقيسه الميزان.

انعدام الوزن

لعلك شاهدت صوراً لحركة رواد فضاء يسبحون داخل المكوك الفضائي، وهو يدور حول الأرض. قد يبدو في هذه الحالة أن رواد الفضاء يعانون من حالة انعدام الوزن، كما لو كانت جاذبية الأرض لا تؤثر فيهم. ومع ذلك فإن قوة جاذبية الأرض للمكوك وهو في مداره تساوي ٩٠٪ من قوة جاذبيتها له وهو على سطح الأرض. تستخدم قوانين نيوتن في الحركة لتفسير حالة طفو رواد الفضاء، وكأن لا توجد قوى تؤثر فيهم.

قياس الوزن

فكر في الطريقة التي تقيس بها وزنك. عندما تقف على الميزان تؤثر فيه بقوة، فيتحرك مؤشر الميزان ليبين وزنك، وفي الوقت نفسه وفق قانون نيوتن الثالث يؤثر الميزان في جسمك بقوة تساوي وزنك، كما في الشكل ١٨ (أ). وهذه القوة توازن قوة الجاذبية المؤثرة فيك نحو الأسفل.

السقوط الحر وانعدام الوزن

افترض الآن أنك تقف على ميزان داخل مصعد معلق يسقط سقوطاً حراً، كما يبين الشكل ١٨ (ب). الجسم الساقط سقوطاً حراً هو الجسم الذي يتأثر بقوة واحدة فقط، هي قوة الجاذبية الأرضية. وفي داخل المصعد الساقط سقوطاً حراً يكون جسمك والميزان أيضاً في حالة سقوط حر؛ لأن القوة الوحيدة المؤثرة في جسمك هي الجاذبية، لذا لا يؤثر الميزان بدفع إلى أعلى في جسمك، ولن يتزن الميزان بالناحية لوزنك، وستصل قراءة المؤشر إلى الصفر. لذا، يبدو أنك عديم الوزن، فانعدام الوزن يحدث في حالة السقوط الحر، عندما يبدو وزن الجسم صفراً.

في الحقيقة لست عديم الوزن في أثناء السقوط الحر؛ لأن الأرض ما زالت تجذبك بجاذبيتها نحو الأسفل، إلا أنك عديم وجود جسم ما كالكرسي يؤثر في جسمك بقوة نحو الأعلى، يجعلك تشعر أنك لا وزن لك.

انعدام الوزن في المدار

لفهم كيفية حركة الأجسام داخل مكوك فضاء يتحرك في مداره حول الأرض، تخيل أنك تحمل بيدك كرة داخل مصعد يسقط سقوطاً حراً تسارعاً.

تجربة

قياس زوجي القوة

الخطوات

• اعمل في مجموعات ثنائية، ويحتاج كل شخص إلى ميزان نابضي.
• ثبت خطافي الميزانين معاً، واطلب إلى زميلك أن يسحب أحدهما، على أن تسحب الآخر في الوقت نفسه، وسجل قراءة كل من الميزانين. ليسحب كل منكما مرة، ثم سجل القراءتين الجديدتين.
• تابع السحب، وسجل القراءتين في كل مرة.
• حاول أن تسحب بحيث تكون قراءة ميزانك أقل من قراءة ميزان زميلك.

التحليل

• ماذا تستنتج من القراءات التي حصلت عليها كل زوج قوى؟
• اشرح كيف توضح التجربة القانون الثالث لنيوتن؟

الصور

• الصفحة_126_انعدام_الوزن_داخل_المصعد_وقراءة_الميزان
• الصفحة_126_تجربة_قياس_زوجي_القوة

الصفحة ١٢٧

يساوي تسارع الجاذبية الأرضية. فإذا تركت الكرة فسوف تلاحظ أنها ستبقى بالنسبة إليك وإلى المصعد في موضعها حيث تركتها؛ لأنها تتحرك بسرعة تساوي سرعتك وسرعة المصعد. وإذا دفعت الكرة دفعة خفيفة إلى الأمام، فستضاف هذه القوة إلى قوة الجاذبية على الكرة، ووفق القانون الثاني لنيوتن سوف يزداد تسارعها، وفي أثناء دفعك لها سيكون تسارع الكرة أكبر من تسارعك أنت والمصعد، وهذا يجعلها تزيد من سرعتها بالنسبة إلى سرعتك والمصعد، وتستمر في حركتها إلى أن تصطدم بأحد قطع المصعد.

يكون المكوك في الفضاء في أثناء حركته حول الأرض في حالة سقوط حر؛ إذ هو وكذلك الأجسام داخله في حالة سقوط حر. في حال سقوط الأجسام داخله، حيث يسقط في مسار منحني بدلاً من السقوط في خط مستقيم نحو الأرض. ونتيجة لذلك تبدو الأجسام داخله وكأنها في حالة انعدام الوزن، كما في الشكل ١٩. ودفعة خفيفة تحرك الجسم بعيداً داخل المكوك، تماماً مثل دفع الكرة داخل المصعد الساقط سقوطاً حراً.

الشكل ١٩

تبدو هذه الأجسام في الواقع وكأنها عديمة بسبب سقوطها حول الأرض بسرعة المكوك والمدار؛ فهي ونتيجة لذلك لا تتحرك بالنسبة إلى الرواد في حجرة المكوك.

مراجعة الدرس ٢

الخلاصة

الفعل ورد الفعل

• ينص القانون الثالث لنيوتن على أنه إذا أثر جسم بقوة في جسم آخر فإن الجسم الآخر يؤثر في الجسم الأول بقوة مساوية لها في المقدار ومعاكسة لها في الاتجاه.
• القوتان زوجا القوى هما: الفعل ورد الفعل.
• لا تلغي أزواج قوتي الفعل ورد الفعل إحداهما الأخرى، عندما تؤثران في جسمين مختلفين.
• عندما تؤثر قوتا الفعل ورد الفعل في جسمين فإن تسارع كل منهما يعتمد على كتلته.

انعدام الوزن

• يكون الجسم في حالة سقوط حر إذا كانت قوة الجاذبية الأرضية هي القوة الوحيدة المؤثرة فيه في سقوطه.
• تحدث حالة انعدام الوزن في السقوط الحر، فيبدو الجسم كأنه لا وزن له.
• الأجسام التي تدور حول الأرض يبدو أنها بلا وزن؛ لأنها تسقط سقوطاً حراً عبر مسار منحني يحيط بالأرض.

اختبر نفسك

• أوجد مقدار القوة التي يؤثر بها لوح التزلج فيك إذا كانت كتلتك ٦١ كجم، وقوتك التي تؤثر بها ٦٠ نيوتن.
• فسر لماذا تتحرك القوارب إلى الخلف عندما تقفز منه في اتجاه الرصيف؟
• بين قوتي الفعل ورد الفعل عندما تطرق مسماراً بواسطة مطرقة.
• استنتج: افترض أنك تقف على لوح تزلج، ويقف طفل كتلته نصف كتلتك على جدار آخر، ويدفع كل منكما الآخر بقوة، فأيكما يكون تسارعه أكبر؟ وما نسبة تسارع الطفل إلى تسارعك؟
• التفكير الناقد: افترض أنك تتحرك داخل طائرة في أثناء طيرانها. استخدم القانون الثالث لنيوتن لوصف تأثير حركتك في الطائرة.

تطبيق الرياضيات

• حساب التسارع: أثر شخص يقف على متن زورق بقوة مقدارها ٦٠ نيوتن لدفع المرساة جانبياً. احسب تسارع الزورق إذا كانت كتلته مع الشخص تساوي ١٠٠٠ كجم.

الصور

• الصفحة_127_انعدام_الوزن_في_المدار_رواد_الفضاء
• الصفحة_127_مراجعة_الدرس_الخلاصة_واختبر_نفسك