دراسة لأهم قوانين نيوتن

عناصر الموضوع

1- اسحاق نيوتن

2- دراسة شاملة لقوانين نيوتن.

3- اختراعات نيوتن

يُعتبر إسحاق نيوتن أحد أعظم العلماء في التاريخ، وقد ساهم بشكل كبير في تطور الفيزياء من خلال صياغته لقوانين الحركة الثلاثة. هذه القوانين، التي نشرت في كتابه “الأصول الرياضية للفلسفة الطبيعية”، توفر وصفًا دقيقًا لكيفية تحرك الأجسام تحت تأثير القوى المختلفة، وقد تم استخدامها لتفسير العديد من الظواهر الطبيعية، من حركة الكواكب إلى حركة الأجسام اليومية.

1- إسحاق نيوتن

• الطفولة والشباب

وُلد إسحاق نيوتن في 4 يناير 1643 في قرية وولثورب الصغيرة بمقاطعة لينكولنشاير في إنجلترا. توفي والده قبل ثلاثة أشهر من ولادته، تاركًا إسحاق يتيمًا. تزوجت والدته مرة أخرى عندما كان في الثالثة من عمره، وانتقلت للعيش مع زوجها الجديد، القس برنابا سميث. تركت إسحاق في رعاية جدته لأمه. لم يكن إسحاق يحب زوج أمه، وشعر بالعداء تجاه والدته بسبب زواجها منه.

• التعليم والمسيرة العلمية

تلقى نيوتن تعليمه في مدرسة الملك في غرانثام من سن 12 إلى 17. درست المدرسة اللغات اللاتينية واليونانية القديمة. قررت والدته إخراجه من المدرسة ليعمل مزارعًا، لكنه رفض العمل في الزراعة بشدة. اقتنعت والدته أخيرًا بعودته إلى المدرسة بعد أن يئست من إجباره على العمل. عند عودته، تميز نيوتن وأصبح الطالب الأعلى مرتبة بين زملائه.

في يونيو 1661، التحق نيوتن بكلية ترينيتي في جامعة كامبريدج، حيث حصل على درجة الماجستير. في أكتوبر 1667، انتخب زميلًا في الثالوث بجامعة كامبريدج. في عام 1669، أصبح أستاذًا في كلية ترينيتي، و قدانتخب لزمالة الجمعية الملكية في عام 1672.

• الجاذبية وقوانين الحركة

إرتبط اسم نيوتن بالتفاحة التي سقطت على رأسه، ويعتقد البعض أن هذه القصة أسطورة، بينما يؤكد البعض الآخر حدوثها. لكن المؤكد هو أن نيوتن اكتشف الجاذبية ووضع قوانينها الأساسية.

بدأ نيوتن بتطوير نظريته حول الجاذبية في عام 1665. ثم ركز على دراسة تأثيرها على مدارات الكواكب في عام 1679. توصل إلى أدلة تثبت أن الشكل الإهليلجي لمدارات الكواكب ينتج عن قوة جذب مركزية تتناسب عكسيا مع مربع ناقل نصف القطر.

طوّر نيوتن كتاب “المبادئ” بناءً على هذه النواة. نُشر الكتاب في 5 يوليو 1687 بتشجيع ومساعدة مالية من هالي. يُعد كتاب “المبادئ” أحد أهم أسباب شهرة نيوتن.

في هذا الكتاب، تحدث نيوتن عن القوانين العالمية الثلاثة للحركة التي تصف العلاقة بين أي جسم، والقوى المؤثرة فيه والحركة الناتجة عنه. كانت هذه القوانين بمثابة البوصلة التي هدت العلماء والمهندسين خلال الثورة الصناعية، حيث مكّنتهم من فهم حركة الأجسام والقوى المؤثرة عليها، مما أدى إلى تطوير آلات ومعدات جديدة غيرت مجرى التاريخ.

قدم نيوتن طريقة تشبه حساب التفاضل والتكامل لتحليل الهندسي باستخدام “النسب الأولى والأخيرة”. قدم أول تحليل لسرعة الصوت في الهواء (مستندًا إلى قانون بويل)، واستدل على تفلطح الشكل الكروي للأرض، ودرس حركة القمر وتأثيرها في الأرض، وقدم نظرية لتحديد مدارات المذنبات، وغيرها.

• التجربة الدينية

بالإضافة إلى مجالاته العلمية، كان نيوتن نشطًا في مجال اللاهوت. كتب في التسعينيات من القرن السابع عشر بعض المقالات الدينية التي تتناول تفسير الكتاب المقدس.

من أشهر أعماله مخطوطة شكك فيها في صحة “الفاصلة اليوحناوية”. ظلت مخطوطة نيوتن تلك مخفية عن الأنظار حتى عام 1785، حيث لم يرَ نيوتن خلال حياته داعيًا لنشر أبحاثه اللاهوتية، التي كان يسجلها بدقة في دفاتر ملاحظاته الشخصية.

• الوظائف والمسؤوليات

تقلّد نيوتن العديد من المناصب المرموقة في إنجلترا، منها:

• عضو في برلمان إنجلترا عن جامعة كامبريدج (1689-1701).
• مراقب دار سك العملة الملكية (1696).
• رئيس دار سك العملة (1699-1727).
• رئيس الجمعية الملكية (1703).
• عضو في أكاديمية العلوم الفرنسية.

في أبريل 1705، مُنح لقب فارس من قبل الملكة آن خلال زيارة ملكية لكلية ترينيتي في كامبريدج. أصبح بذلك ثاني عالم يحصل على هذا اللقب بعد الفيلسوف فرانسيس بيكون.

من المهام الحكومية التي أوكلت له كشف العملات المزورة في أثناء إعادة سكّها. قدّر نيوتن أن 20% من العملات المعدنية التي استُولي عليها خلال عملية إعادة سك العملة الكبرى في 1696 كانت مزيفة.

كان التزييف حينها خيانة عظمى، يعاقب عليها المجرم بالشنق والتقطيع إلى أرباع. على الرغم من صعوبة إدانة المجرمين، أثبت نيوتن أنه على قدر المهمة. تنكّر بهيئة أحد مرتادي الحانات، وجمع كثيرا من تلك الأدلة بنفسه، ثم أجرى أكثر من 100 استجواب للشهود والمخبرين والمشتبه بهم في الفترة ما بين 1698 و1699. نجح في محاكمة 28 من مزوري العملة.

• الوفاة

في أيامه الأخيرة، أقام نيوتن مع ابنة أخته وزوجها الذي اهتمت به حتى وفاته في 20 مارس 1727 في كرانبيري بارك، بالقرب من وينشستر، أقيمت لنيوتن جنازة مهيبة حضرها العلماء والفلاسفة والنبلاء ، وقد دُفن في كنيسة ويستمنستر الملكية بين الملوك والملكات. ليكون أول عالم يُدفن في ديرها. [1]

عقب وفاته، فُحص شعره وتبيّن تعرّضه للزئبق. يُعتقد أنه تأثر به نتيجة لتجاربه الكيميائية، فأصيب بالتسمم به حتى تُوفي.

2- قوانين نيوتن

• قانون نيوتن الأول: قانون القصور الذاتي

يُعرف قانون نيوتن الأول أيضًا باسم قانون القصور الذاتي، وينص هذا القانون على أن الجسم الساكن سيبقى ساكنًا، والجسم المتحرك سيبقى متحركًا بنفس السرعة والاتجاه، ما لم تؤثر عليه قوة خارجية، بمعنى آخر الأجسام تميل إلى الحفاظ على حالتها الحركية، سواء كانت ساكنة أو متحركة، ويتضح ذلك باختصار فيما يلي:

• السكون: الجسم الساكن سيبقى ساكنًا ما لم تُؤثر عليه قوة خارجية.
• الحركة: الجسم المتحرك سيبقى متحركًا بنفس السرعة والاتجاه ما لم تُؤثر عليه قوة خارجية.
• القوة الخارجية: أي قوة تؤثر على الجسم وتغير من حالته الحركية.
• مثال على ذلك:

كرة على طاولة، ستبقى الكرة على الطاولة ساكنة ما لم تُدفع أو تُسحب.سيارة تسير بسرعة ثابتة: ستستمر السيارة في الحركة بنفس السرعة والاتجاه ما لم تُطبق عليها قوة خارجية مثل الفرامل أو عجلة القيادة.

• قانون نيوتن الثاني: قانون الحركة

ينص قانون نيوتن الثاني على أن تسارع الجسم يتناسب طرديًا مع محصلة القوى المؤثرة عليه، ويتناسب عكسياً مع كتلته، ويتضح ذلك باختصار فيما يلي:

• التسارع: التغير في السرعة مع مرور الوقت.
• محصلة القوى: مجموع جميع القوى المؤثرة على الجسم.
• الكتلة: كمية المادة في الجسم.
• معادلة قانون نيوتن الثاني: F = ma، حيث:F هي محصلة القوى المؤثرة على الجسم، m هي كتلة الجسم.، هو تسارع الجسم.
• مثال على ذلك:

دفع عربة، كلما زادت القوة التي تُطبق على العربة، زاد تسارعها.سحب عربة ثقيلة: ستكون سرعة تسارع العربة الثقيلة أقل من سرعة تسارع العربة الخفيفة عند تطبيق نفس القوة.

• قانون نيوتن الثالث: قانون الفعل ورد الفعل

ينص قانون نيوتن الثالث على أنه لكل فعل رد فعل مساوٍ له في المقدار ومعاكس له في الاتجاه، ويتضح ذلك باختصار فيما يلي:

• الفعل: القوة التي يُطبقها جسم على جسم آخر.
• رد الفعل: القوة التي يُطبقها الجسم الثاني على الجسم الأول.
• مثال على ذلك:

القفز، عند القفز على الأرض، تُطبق قوة على الأرض، وتطبق الأرض قوة مساوية ومعاكسة على قدميك، مما يُمكنك من القفز للأعلى.ضرب الكرة: عند ضرب الكرة بالمضرب، تُطبق قوة على الكرة، وتطبق الكرة قوة مساوية ومعاكسة على المضرب.[2]

3- اختراعات نيوتن

• مدفع نيوتن المداري:

شرح نيوتن في إطار قوانينه للجاذبية الكونية، فكرة مدفع مداري باستخدام جبل عملاق يمتد إلى الفضاء. كان هذا المدفع تجربة فكرية لشرح كيفية دوران جسم حول جسم آخر.

• التجربة:

بإطلاق قذيفة من المدفع بقوة محددة، يمكن أن تدور القذيفة حول الأرض دون السقوط أو الهروب إلى الفضاء، تُحافظ القذيفة على حالة سقوط حر حول الأرض، لكن سرعة دورانها تُوازن قوة جذب الأرض، مما يجعلها تدور في مدار.

• أبواب القطط:

تُشير بعض الروايات إلى أن نيوتن كان مهتمًا بوجود ثقوب في الأبواب لعبور القطط.

يرجع هذا الاهتمام إلى مشكلة القطط التي كانت تخدش باب مكتبه في جامعة كامبريدج، استدعى نيوتن نجارًا لعمل ثقبين في الباب: ثقب كبير للقطة الأم وثقب صغير لجراءها، لكن جميع القطط كبيرة وصغيرة، كانت تمر عبر الثقب الكبير، مما جعل الثقب الصغير غير مستخدم.

• التفاضل والتكامل:

يُعد نيوتن مؤسس علم التفاضل والتكامل، الذي يُعتبر أداة أساسية في مجالات متعددة مثل الفيزياء والاقتصاد.ظهرت الحاجة إلى علم التفاضل والتكامل خلال فترة وباء الطاعون الدبلي في إنجلترا عام 1665.قضى نيوتن 18 شهرًا في تطوير هذا العلم، الذي يُمكن من خلاله حساب التغيرات في الكميات المتغيرة.

• قوس قزح:

درس نيوتن ظاهرة قوس قزح، وبيّن أن الألوان التي نراها هي نتيجة انكسار وانعكاس الضوء الأبيض في قطرات المطر.أجرى تجارب باستخدام مصباح ومنشور، أثبت من خلالها أن الضوء الأبيض يتكون من مجموعة من الألوان.

• التليسكوب العاكس:

صمم نيوتن تليسكوبًا عاكسًا يستخدم المرايا بدلاً من العدسات.كان هذا التليسكوب أكثر وضوحًا وصغرًا من التليسكوبات التقليدية التي كانت تستخدم العدسات.

• اكتشافات أخرى:
• اكتشف نيوتن نظرية ذات الحدين ونظرية متعددة الحدود من الدرجة الثالثة.
• درس الضوء وبيّن أن اللون هو نتيجة لتفاعل الضوء الملون مع الأشياء.
• كتب نيوتن كتابات دينية تتناول التفسير الحرفي للكتاب المقدس.[3]

في الختام فأن نيوتن في كتابه قد تناول القوانين العالمية الثلاث للحركة التي تفسر العلاقة بين الجسم والقوى التي تؤثر عليه والحركة الناتجة عنه، وهذه القوانين شكلت أساسًا لاغنى عنه في جميع مجالات الميكانيكا الكلاسيكية، وقد ساهمت في العديد من التطورات خلال فترة الثورة الصناعية.

• إسحاق نيوتن.. مكتشف الجاذبية ومنكر "الثالوث المقدس" إسحاق نيوتن -بتصرف
• قوانين نيوتن في الحركةقوانين نيوتن -بتصرف
• ماذا قدم إسحاق نيوتن للبشرية عدا قانون الجاذبية؟اختراعات نيوتن -بتصرف

مشاركة المقال