الدرس الأول: القانون الأول في الحركة لنيوتن
الثانوي - الصف العاشر
مقدمة
في حياتنا اليومية، نلاحظ أن الأجسام الساكنة تبقى ساكنة حتى تُدفع، والأجسام المتحركة قد تتباطأ أو تتوقف. لكن هل تحتاج الأجسام إلى قوة دائمة لكي تستمر في الحركة؟ هذا ما أوضحه لنا قانون نيوتن الأول، الذي يُعدُّ ثورة في فهم الحركة بعد أفكار أرسطو القديمة.
أولاً: مفهوم القوة (Force)
القوة: هي مؤثر (دفع أو سحب) يغير من الحالة الحركية للجسم (يحركه إذا كان ساكناً، أو يوقفه إذا كان متحركاً، أو يغير اتجاهه). القوة كمية متجهة، تقاس بوحدة نيوتن (N).
مخطط الجسم الحر (Free-Body Diagram)
هو رسم تخطيطي يبين جميع القوى الخارجية المؤثرة في جسم (نظام) معين. نمثل الجسم بنقطة (أو بشكل مبسط)، ونرسم سهماً لكل قوة، بحيث يتناسب طول السهم مع مقدار القوة، ويشير اتجاهه إلى اتجاه تأثيرها.
يتأثر الكتاب بقوتين:
ثانياً: تاريخ تطور مفهوم الحركة
أرسطو (384–322 ق.م)
اعتقد أن الحالة الطبيعية للأجسام هي السكون، وأن القوة ضرورية لتحريك الجسم، كما أنها ضرورية لاستمرار الحركة؛ فإذا زالت القوة توقف الجسم. هذا الرأي خاطئ كما تبين لاحقاً.
غاليليو (1564–1642 م)
صحح هذا المفهوم. استنتج أن الجسم المتحرك على سطح أفقي أملس (بدون احتكاك) سيستمر في الحركة بسرعة ثابتة إلى أجل غير مسمى، ما لم تؤثر فيه قوة تعيقه. وبذلك، الحركة بسرعة ثابتة هي حالة طبيعية مثل السكون.
ثالثاً: نص القانون الأول لنيوتن
"يحافظ الجسم على حالته من حيث السكون، أو الحركة في خط مستقيم وبسرعة ثابتة، ما لم تؤثر فيه قوة خارجية محصلة تغير من حالته الحركية."
حالات الجسم وفقاً للقانون الأول:
الجسم المتزن (∑F = 0)
عندما تكون محصلة القوى صفراً، يكون الجسم في حالة اتزان، ويشمل حالتين:
- اتزان سكوني: الجسم الساكن يبقى ساكناً (مثل كتاب على طاولة).
- اتزان ديناميكي: الجسم يتحرك بسرعة ثابتة في خط مستقيم (مثل سيارة تسير بسرعة ثابتة).
الجسم العاجز (القصور الذاتي)
الجسم قاصر (عاجز) بذاته عن تغيير حالته الحركية.
رابعاً: القصور الذاتي (Inertia)
القصور الذاتي: هو ممانعة الجسم لأي تغيير في حالته الحركية (سكون أو حركة منتظمة). فالجسم يقاوم التغيير.
الكتلة: هي مقياس للقصور الذاتي. كلما زادت كتلة الجسم، زاد قصوره الذاتي، واحتاج إلى قوة محصلة أكبر لتغيير حالته الحركية.
أمثلة من الحياة اليومية:
اندفاع الركاب إلى الأمام عند توقف الحافلة فجأة لاستمرار أجسادهم في الحركة.
ميل الركاب إلى الجانب عند انعطاف السيارة.
عند نفض الغبار عن السجادة، يستمر الغبار في الحركة فيتطاير.
سحب مفرش السفرة بسرعة يبقي الأطباق في مكانها تقريباً.
خامساً: تطبيقات عملية وأمثلة
تطبيق: اختبارات السيارات
عند اختبار السيارة بتصادمها بحاجز، توضع دمى في مقعد السائق. بسبب القصور الذاتي، تستمر الدمية في الحركة نحو الأمام عند الاصطدام، فتصطدم بعجلة القيادة أو الوسادة الهوائية، مما يسمح بقياس التسارع والقوى.
مثال 1 (ص 88)
يتزن صندوق كتلته 20 kg موضوع على سطح أفقي تحت تأثير أربع قوى كما في الشكل. جد مقدار القوتين F₂ و F₃.
أ. القوة المحصلة:
بما أن الجسم متزن، فإن القوة المحصلة تساوي صفراً:
ب. الحل الرياضي:
على المحور الأفقي (x):
على المحور العمودي (y):
مثال 2 (ص 88)
تؤثر ثلاث قوى في دمية، فتبقيها متزنة. إذا علمت أن F₁ = 36 N و F₃ = 60 N بالاتجاهات الموضحة، فجد مقدار القوة F₂ وزاويتها θ.
خطوات الحل:
- نحلل القوى المائلة إلى مركباتها الأفقية والعمودية.
- نطبق شرط الاتزان الأفقي ∑Fx = 0 لحساب المركبة الأفقية لـ F₂.
- نطبق شرط الاتزان العمودي ∑Fy = 0 لحساب المركبة العمودية لـ F₂.
- نستخدم نظرية فيثاغورس لحساب المحصلة F₂ = √(F₂x² + F₂y²).
سادساً: أسئلة الدرس (ص 89)
خلاصة الدرس
| المفهوم | التوضيح |
|---|---|
| القانون الأول لنيوتن | الجسم يحافظ على سكونه أو حركته المنتظمة إلا إذا أثرت عليه قوة محصلة. |
| محصلة القوى = 0 | الجسم إما ساكن أو متحرك بسرعة ثابتة (اتزان سكوني أو ديناميكي). |
| القصور الذاتي | ميل الجسم لمقاومة تغيير حالته الحركية، ويتناسب مع كتلته. |
| مخطط الجسم الحر | رسم توضيحي لجميع القوى المؤثرة في جسم ما. |
| تطبيقات | أحزمة الأمان، اندفاع الركاب عند التوقف المفاجئ، نفض الغبار، سحب المفرش. |