قانون اول نیوتن چیست؟ – توضیح به زبان ساده

۱۳۶ بازدید
آخرین به‌روزرسانی: ۱۴ فروردین ۱۴۰۳
زمان مطالعه: ۱۵ دقیقه
قانون اول نیوتن چیست؟ – توضیح به زبان ساده

حرکت اجسام مختلف در طبیعت از قوانین ساده‌ای به نام «قوانین نیوتن» (Newton' Laws of Motion) پیروی می‌کند. یکی از این قوانین، قانون اول نیوتن است و در این مطلب می‌خواهیم ببینیم قانون اول نیوتن چیست. طبق قانون اول نیوتن، اگر به جسمی که ساکن است یا به جسمی که در حال حرکت با سرعت ثابت است، هیچ «نیرویی» (Force) وارد نشود، جسم یا ساکن می‌ماند یا به حرکت خود با سرعت ثابت ادامه می‌دهد. بنابراین برای تغییر وضعیت حرکتی جسم، باید علتی وجود داشته باشد و آن علت نیرو است.

در این مطلب پس از تعریف قانون اول نیوتن، ابتدا مفهوم «اینرسی» (Inertia) را توضیح می‌دهیم. سپس با بررسی مثال‌های مختلفی از قانون اول نیوتن در زندگی روزمره، بیان کاربردها، توضیح تفاوت قانون اول نیوتن با قانون دوم نیوتن و ارائه سوالات چهار گزینه‌ای در قالب آزمون، به شما در درک بهتر این مبحث کمک خواهیم کرد.

قانون اول نیوتن چیست؟

قانون اول نیوتن بیان می‌کند اگر به جسمی نیرویی وارد نشود، جسم وضعیت حرکتی خود را تغییر نمی‌دهد. یعنی اگر ساکن است، ساکن می‌ماند و اگر در حال حرکت با سرعت ثابت است، به حرکت خود با همان سرعت ادامه می‌دهد. شرط برقراری قانون اول نیوتن این است که به جسم نیرویی وارد نشود و نتیجه آن، حفظ وضعیت حرکتی قبلی‌ جسم است. چون اجسام تمایل دارند وضعیت حرکتی خود را حفظ کنند، قانون اول به قانون اینرسی هم شناخته می‌شود.

تقریبا نزدیک به ۲۰۰۰ سال گمان بر این بود که اجسام در حال حرکت، به‌صورت ذاتی متمایل‌اند که متوقف شوند و به سکون برسند. تا اینکه شخصی به نام «آیزاک نیوتن» (Isaac Newton) با همکاری «گالیلئو گالیله» (Galileo Galilei) و «رنه دکارت» (René Descartes)، بیان کرد اجسام تمایل دارند حرکت خود را حفظ کنند، مگر اینکه تحت تاثیر یک نیرو قرار بگیرند. او معتقد بود علت توقف اجسام، تمایل ذاتی آن‌ها به متوقف شدن نیست، بلکه اجسام بر اثر برهم‌کنش با محیط و نیروهایی که دریافت می‌کنند، ممکن است متوقف شوند.

تصویر رنگی از آیزاک نیوتن
آیزاک نیوتن

بر این اساس اگر برهم‌کنش اجسام با محیط اطراف کم شود یا به صفر برسد، اجسام تا ابد به حرکت خود ادامه می‌دهند. اما در واقعیت چنین چیزی امکان پذیر نیست. حداقل بر روی زمین، همواره نیروهایی مانند «نیروی جاذبه زمین» (Earth Gravitational Force)، «نیروی اصطکاک» (Frictional Force) و «نیروی مقاومت هوا» (Air Resistance Force) وجود دارند که مانع این حرکت دائمی خواهند شد. در ادامه این مطلب، با توجه به مثال‌هایی که بیان می‌کنیم اثر این نیروها را روی حرکت جسم بهتر درک خواهید کرد.

نیرو چیست؟

هر گونه کشیدن یا هل دادن جسم توسط شخص یا جسم دیگر، نیرو نام دارد. در واقع هر زمان که برهم‌کنشی بین دو جسم وجود داشته باشد، بین آن‌ها نیرویی رد و بدل شده است. بنابراین نیروها در نتیجه برهم‌کنش‌ها ساخته می‌شوند.

انواع نیرو

برهم‌کنش بین اجسام می‌تواند در اثر تماس دو جسم با هم و یا بدون تماس آن‌ها با هم ایجاد شود. بر این اساس، می‌توانیم نیروها را در دو گروه دسته‌بندی کنیم:

  • نیروهای تماسی: برهم‌کنش بین دو جسم بر اثر تماس فیزیکی آن‌ها با هم شکل می‌گیرد. نیروی اصطکاک، نیروی مقاومت هوا، نیروهایی که توسط شخصی به جسم وارد می‌شوند و نیروی عمودی سطح از جمله نیروهای تماسی هستند.
  • نیروهای غیرتماسی: برهم‌کنش بین دو جسم بدون تماس آن‌ها با هم و در فاصله‌ای که دو جسم از هم دارند، اتفاق می‌افتد. به‌عنوان مهم‌ترین نیروهای غیرتماسی، می‌توانیم به نیروی گرانشی، نیروی الکتریکی و نیروی مغناطیسی اشاره کنیم.
چند نفر در حال انجام دادن کارهای مختلفی در تصویری دیده می‌شوند.
نیروهای مختلفی که روزانه با آن‌ها سروکار داریم.

برای مثال در تصویر بالا شخصی با کشیدن کمان، در حال وارد کردن نیرو به تیر داخل کمان است. آهن‌ربای نعلی‌شکلی که در دست شخص دیگری است، اگر در نزدیکی یک جسم فلزی قرار داده شود، بدون هیچ تماسی به آن نیروی مغناطیسی وارد می‌کند و جسم را به سمت خود می‌کشد. سیب‌های روی درخت بر اثر نیروی گرانش زمین به روی زمین می‌افتند. شخص دیگری با هل دادن دسته گاری و وارد کردن نیرو به آن، سعی دارد باری را جابجا کند. کودکی با وارد کردن نیرو در خلاف جهت حرکت، به سمت پایین یک سطح شیبدار در حال اسکی کردن است.

نیروی برآیند

حالا می‌خواهیم ببینیم اگر به یک جسم چند نیروی مختلف وارد شود، مجموع نیروها چگونه به‌دست می‌آید. نیرو یک «کمیت برداری» (Vector Quantity) است که با F نشان داده می‌شود، پس دارای اندازه و جهت است. واحد نیرو در سیستم بین‌المللی SI، نیوتن (N) است. یک نیوتن برابر است با مقدار نیرویی که لازم است تا به جسمی به جرم ‎۱ kg، شتابی به اندازه ‎۱ m/s۲ داده شود. پس وقتی می‌گوییم نیروی ‎۱۰ N‌ به جسمی وارد شده است، به‌درستی تمام نیرو را بیان نکرده‌ایم. چون فقط اندازه نیرو بیان شده است، در حالی که باید جهت نیرو هم مشخص شود. بنابراین برای مثال باید بگوییم نیروی ‎۱۰ N به جسمی در راستای مثبت محور xها وارد شده است.

پیکان صورتی رنگی روی محور مختصات در جهت راست قرار دارد.
جهت نیروی F‌ در راستای مثبت محور xها نشان داده شده است.

چون نیرو یک کمیت برداری است، پس برای پیدا کردن مجموع چند نیرو باید از قوانین جمع برداری استفاده کنیم. طبق قوانین جمع برداری، در جمع چند بردار باید هم جمع اندازه‌ها و هم جمع جهت‌ها را در نظر بگیریم. پس با در نظر گرفتن جهت و اندازه تمام نیروهای وارد بر یک جسم، می‌توانیم حاصل جمع نیروها را پیدا کنیم. بردار حاصل جمع چند نیرو، «نیروی برآیند» (Net Force) نام دارد و با ΣF نشان داده می شود. علامت Σ به معنای مجموع است.

از آن‌جایی که معمولا نیروها در جهت‌های مختلفی به جسم وارد می‌شوند و در مبحث دینامیک می‌خواهیم مجموع تمام این نیروها را در نظر بگیریم، مرسوم است که از یک خط جهت‌دار یا پیکان برای نشان دادن بردار نیرو استفاده کنیم. همچنین در صورتی که خود بردار نیرو در راستای محورهای x یا y نباشد، لازم است ابتدا بردار نیرو در راستای این محورها تصویر یا تجزیه شود. در این شرایط داشتن زاویه بردار نیرو با یکی از محورها، ضروری است.

بردارهای آبی روی محورهای مختصات قرار دارند.
نیروی F در راستای محورهای x و y تجزیه شده است.

قانون اینرسی

قانون اول نیوتن در واقع بیان دیگری از قانون اینرسی است که قبلا توسط گالیله مطرح شده بود. گالیله با مطالعه حرکت سیارات، برای اولین بار مفهوم اینرسی را مطرح کرد. اینرسی، تمایل جسم برای حفظ وضعیت حرکت‌اش یا مقاومت جسم در مقابل تغییر وضعیت حرکت‌اش است. در این تعریف فرقی نمی‌کند وضعیت حرکتی جسم چگونه باشد. اگر ساکن باشد، تمایل دارد ساکن بماند و اگر در حال حرکت با سرعت ثابت باشد، تمایل دارد همین حرکت خود را ادامه دهد.

تصویر رنگی از گالیله
گالیلئو گالیله

اجسام مختلف اینرسی یکسانی ندارند. مثلا حرکت دادن یک کامیون از حرکت دادن یک ماشین دشوارتر است. بنابراین می‌توانیم نتیجه بگیریم که اینرسی اجسام به جرم آن‌ها بستگی دارد. هرچه جسمی سنگین‌تر باشد، تمایل کمتری برای تغییر وضعیت حرکتی خود دارد یا اینرسی آن بیشتر است.

در شکل زیر نمونه‌ای از اثر اینرسی را که حتما تا به حال تجربه کرده‌اید، مشاهده می‌کنید. فرض کنید اتوبوسی به سمت چپ در حال حرکت با سرعت ثابت است. در سمت راست تصویر، شخصی داخل این اتوبوس ایستاده است. فرض کنید در سمت چپ تصویر، اتوبوس ناگهان ترمز کرده است. با ترمز گرفتن اتوبوس، شخص هم‌چنان تمایل دارد به حرکت خود به سمت چپ ادامه دهد. به همین دلیل، به سمت جلو پرتاب می‌شود. ملاحظه می‌کنید که شخص برای جلوگیری از افتادن خود به سمت زمین، توسط پاهای خود به زمین نیرو وارد می‌کند.

شخصی داخل یک اتوبوس ایستاده است و اتوبوس ناگهان ترمز می‌کند - قانون اول نیوتن چیست
اینرسی در حرکت اتوبوس

معرفی فیلم‌های آموزشی فرادرس برای قانون اول نیوتن

پیش از ادامه یادگیری، در این قسمت پیشنهاد می‌شود جهت به‌دست آوردن درک اولیه‌ای از مفاهیم فیزیک مکانیک به‌خصوص در مورد قانون اول نیوتن فیلم‌های آموزشی زیر را که در مجموعه فرادرس تهیه شده‌اند، مشاهده کنید:

  1. فیلم آموزش علوم تجربی پایه نهم بخش فیزیک فرادرس
  2. فیلم آموزش فیزیک پایه دوازدهم فرادرس

تعریف قانون اول نیوتن

هرگاه نیروی برآیند وارد بر یک جسم صفر شود، قانون اول نیوتن برقرار است. صفر شدن نیروی برآیند، اغلب شرایطی است که در آن چند نیرو به جسم در جهت‌های مختلفی وارد می‌شوند، اما مجموع این نیروها صفر شده است. در شکل زیر که یک مسابقه طناب‌کشی را نشان می‌دهد، هر دو گروه نیرویی با اندازه مساوی ‎۳۰۰ N و در خلاف جهت هم به طناب وارد می‌کنند. بنابراین طناب حرکت نمی‌کند.

دو گروه در حال کشیدن طناب با نیروهای برابری هستند.
دو گروه نیروی مساوی ۳۰۰ نیوتنی به طناب وارد می‌کنند.

در چنین موقعیتی گفته می‌شود که نیروها در تعادل یا توازن‌اند. عبارت نیروهای متوازن‌ یا متعادل (Balanced Forces) در واقع به معنای این است که برآیند نیروها صفر شده است. به محض اینکه در مسابقه بالا یکی از اعضای دو تیم با نیروی بیشتری طناب را بکشد، تعادل نیروها به هم می‌خورد و در نتیجه طناب به یک سمت حرکت می‌کند. همان‌طور که در شکل زیر می‌بینید، به علت عدم تعادل نیروها، اعضای تیم سمت راست در تصویر در حال پرتاب شدن به سمت چپ هستند.

دو تیم در حال کشیدن طناب هستند.
دو گروه با نیروهای مختلفی در حال کشیدن یک طناب هستند.

همچنین صفر شدن نیروی برآیند می‌تواند به این معنا باشد که هرگز هیچ نیرویی به جسم وارد نشده است. اما همان‌طور که گفتیم، چنین شرایطی در واقعیت اتفاق نمی‌افتد. هر دو حالت صفر شدن نیروی برآیند، در نهایت اثر یکسانی دارند و هر دو شامل موضوع قانون اول نیوتن می‌شوند. از طرفی، جسم موردبررسی در قانون اول نیوتن می‌تواند ساکن باشد یا در حال حرکت با سرعت ثابت باشد. در این صورت می‌توانیم دو حالت برای جسم در نظر بگیریم:

  • حالت اول: جسم ساکن است. به آن چند نیرو وارد می‌شود ولی مجموع نیروها صفر است. پس جسم ساکن باقی می‌ماند.
  • حالت دوم: جسم در حال حرکت با سرعت ثابتی است. به آن چند نیرو وارد می‌شود ولی مجموع نیروها صفر است. پس جسم به حرکت خود مثل قبل ادامه می‌دهد.

برای مثال در شکل زیر، یک ماشین در حال حرکت با سرعت ثابت است. تا زمانی که اندازه نیروی پیشران ماشین و نیروی اصطکاک با سطح جاده با هم برابر باشد، این دو نیرو یکدیگر را خنثی می‌کنند و ماشین به حرکت خود با سرعت ثابت ادامه می‌دهد.

ماشین زرد رنگی در حال حرکت است.
دو نیروی برابر با هم ولی در خلاف جهت هم به ماشین در حال حرکت با سرعت ثابت وارد می‌شوند.

حرکت یکنواخت چیست؟

«حرکت یکنواخت» (Uniform Motion) حرکتی است که در آن مسیر حرکت جسم در امتداد یک خط مستقیم است. سرعت جسم در این حرکت از نظر اندازه و جهت همیشه ثابت ‌می‌ماند. بنابراین جسم شتابی ندارد. اما نیروی برآیند مخالف صفر وارد بر یک جسم، می‌تواند باعث تغییر اندازه سرعت شود یا فقط جهت بردار سرعت را عوض کند یا اینکه موجب شود هم اندازه و هم جهت بردار سرعت هر دو تغییر کنند.

اگر اندازه سرعت یا جهت آن به تنهایی تغییر کند، حرکت غیریکنواخت یا شتاب‌دار (Accelerated Motion) می‌شود. حرکت دایره‌ای نمونه‌ای از حرکت شتاب‌دار است که در آن اندازه سرعت تغییر نمی‌کند ولی جهت بردار سرعت عوض می‌شود. مسیر حرکت غیریکنواخت به شکل یک منحنی است، در حالی که همان‌طور که گفتیم، مسیر حرکت یکنواخت یک خط است.

مثال‌هایی از قانون اول نیوتن

تا اینجا متوجه شدیم قانون اول نیوتن چیست. در ادامه با توضیح چند مثال عینی در زندگی روزمره، سعی می‌کنیم به شما در درک بهتر مفهوم این قانون کمک کنیم. جهت یادگیری مثال‌های عددی بیشتر در مورد قوانین نیوتن به‌ویژه قانون اول، می‌توانید فیلم آموزش فیزیک پایه ۱ – مرور و حل مساله فرادرس که در ادامه لینک آن قرار داده است را مشاهده کنید.

مثال اول قانون اول نیوتن

ماشینی را در نظر بگیرید که با سرعت ثابتی در حال حرکت است. اگر نیروی ترمز یا نیروی اصطکاک مانع توقف ماشین نشوند، ماشین به حرکت خود برای همیشه ادامه می‌دهد. ولی واقعیت این است که ماشین و تمام اجسام در حال حرکت با سرعت ثابت، در نهایت بر اثر دریافت نیروهایی در خلاف جهت حرکت خود، متوقف می‌شوند. اگر بخواهیم جسمی تا ابد به حرکت خود ادامه دهد، لازم است همواره به آن نیرو وارد کنیم، که این مسئله مصرف انرژی زیادی به همراه دارد.

ماشین سبز رنگی در حال حرکت است و نیروهای وارد بر آن نشان داده شده است.
نیروهای وارد بر یک ماشین در حال حرکت

در شکل بالا تمام نیروهای وارد بر ماشین نشان داده شده‌اند که عبارتند از نیروی عمودی سطح از جاده به سمت بالا، نیروی جاذبه زمین از زمین به سمت پایین، نیروی پیشران موتور ماشین به سمت راست و نیروی اصطکاک بین تایرهای ماشین و سطح زمین به سمت چپ. نیروهای در راستای قائم یعنی نیروی وزن و نیروی عمودی سطح، همیشه یکدیگر را خنثی می‌کنند. در ابتدای حرکت، شتابی که توسط موتور موجب شروع حرکت ماشین می‌شود، در راستای افقی یا محور xها است. بنابراین ماشین حرکتی در راستای قائم ندارد و با توجه به صفر بودن نیروی برآیند در این راستا، حرکت‌اش افقی باقی می‌ماند.

در راستای افقی تا زمانی که دو نیروی موتور و اصطکاک با هم برابر باشند، حرکت یکنواخت ماشین ادامه خواهد داشت. ولی با گذشت زمان نیروی اصطکاک زیاد می‌شود. برای ادامه حرکت ماشین، لازم است آن‌قدر به آن نیرو وارد کنیم تا بر نیروی اصطکاک غلبه شود، نیروی برآیند همواره صفر شود و تمام نیروهای وارد بر ماشین در تعادل باشند. پس متعادل نگه داشتن حرکت برای مدت طولانی یا همیشه کار سخت و پر‌هزینه‌ای است!

مثال دوم قانون اول نیوتن

یک توپ تنیس را در نظر بگیرید. زمانی که به این توپ به سمت بالا ضربه وارد شود، پس از اعمال ضربه با متعادل شدن نیروها، در یک مقطع زمانی توپ با سرعت ثابت در حال حرکت به سمت بالا است. ولی پس از مدت زمان خیلی کوتاهی، توپ به سمت زمین خواهد آمد. علت این بازگشت، عدم تعادل نیروهای وارد بر توپ یعنی نیروی جاذبه و نیروی مقاومت هوا است. اگر فرض کنیم جاذبه زمین ناپدید شود و هیچ مقاومت هوایی در اطراف توپ وجود نداشته باشد، توپ به حرکت خود با سرعت ثابت ادامه می‌دهد.

یک توپ سبز رنگ همراه دو نیروی وارد بر آن نشان داده شده است.
نیروی مقاومت هوا به سمت بالا و نیروی وزن به سمت پایین به توپ تنیس وارد می‌شوند.

مثال سوم قانون اول نیوتن

فرض کنید داخل هواپیمایی نشسته‌اید که با سرعت کاملا ثابتی و بدون تلاطم در حال حرکت است. در این شرایط بدون نگاه کردن به پنجره‌ها یا شنیدن صدای موتور هواپیما، قادر به تشخیص اینکه هواپیما در حال حرکت است یا نه نیستید. بنابراین، از دید شما و با توجه به جایگاهی که در آن قرار دارید، این وضعیت حرکتی هواپیما معادل است با هواپیمایی که روی زمین در حالت سکون قرار دارد. به نظر شما چه موقعیت‌های مشابه دیگری در زندگی روزمره وجود دارند که در آن‌ها تشخیص حرکت یا قرارگیری در وضعیت سکون راحت نیست؟

هواپیمایی در حال پرواز است.
یک هواپیما در حال پرواز با سرعت ثابتی است.

فرمول قانون اول نیوتن

قانون اول به بررسی وضعیت حرکت جسم زمانی که هیچ نیرویی به آن وارد نشود یا مجموع نیروهای وارد بر آن صفر شود، می‌پردازد. پس می‌توانیم برای فرمول‌بندی آن چنین عبارتی را در نظر بگیریم:

$$\sum \vec{F} = 0$$

قبلا هم گفتیم Σ به معنای مجموع است. منظور از مجموع در این فرمول، جمع برداری نیروها است.

پایستگی تکانه

طبق قانون اول اگر مجموع نیروها صفر شود، یا جسم ساکن است یا با سرعت ثابتی در حال حرکت در مسیری مستقیم است (حرکت یکنواخت). این توضیح بیان دیگری از «قانون پایستگی تکانه» (Conservation of Momentum Law) است. در قانون پایستگی تکانه اگر هیچ نیروی خارجی بر سیستم اثر نکند یا برآیند نیروهای وارد بر سیستم صفر باشد، تکانه سیستم با گذشت زمان ثابت می‌ماند.

ابتدا باید بدانیم تکانه چیست؟ «تکانه» (Momentum) یکی از کمیت‌های مهم در حرکت‌شناسی محسوب می‌شود که برابر است با حاصل‌ضرب جرم جسم در سرعت آن. بنابراین تکانه یک کمیت برداری است و واحد آن در سیستم SI برابر است با kg.m/s:

$$\vec{p}=m\vec{v}$$

حالا اگر این رابطه را با فرمول قانون دوم نیوتن مقایسه کنیم، با در نظر گرفتن مشترک بودن کمیت جرم (m) بین هر دو و با دانستن رابطه بین شتاب و سرعت (a=dv/dt)، می‌توانیم نتیجه‌گیری کنیم:

$$\sum \vec{F} =m\vec{a}=m\frac{d\vec{v}}{dt}$$

$$\Rightarrow\sum \vec{F} =\frac{d(m\vec{v})}{dt}=\frac{d\vec{p}}{dt}$$

دیدیم که توانسیتم قانون دوم نیوتن را بر حسب تکانه بازنویسی کنیم. با توجه به اینکه در قانون اول نیوتن مجموع نیروهای وارد بر جسم صفر است، پس داریم:

$$\sum \vec{F}=\frac{d\vec{p}}{dt}=0$$

با توجه به صفر بودن مجموع نیروها در قانون اول، از قوانین مشتق‌گیری نسبت به زمان می‌توانیم نتیجه بگیریم مشتق یک عدد ثابت برابر با صفر شده است. پس، تکانه با زمان تغییری نمی‌کند و ثابت می‌ماند. بنابراین قانون اول نیوتن همان قانون پایستگی تکانه یا ثابت ماندن تکانه است و فرمول هر دو یکسان است.

کاربرد قانون اول نیوتن

قانون اول نیوتن توضیح می‌دهد که اجسام چگونه حرکت می‌کنند و نیروها چگونه روی حرکت اجسام اثرگذاراند. بنابراین پس از یادگیری این عنوان که قانون اول نیوتن چیست، به بررسی اهمیت این قانون در زندگی روزمره می‌پردازیم. با توجه به نتیجه‌‌ای که قانون اول نیوتن داشت و به‌خصوص پس از آشنایی با مفهوم اینرسی، یکی از مهم‌ترین کاربردهای قانون اول این است که هنگام حرکت ماشین هر شخص از کمربندی ایمنی استفاده می‌کند. چون طبق قانون اول و اینرسی‌ای که شخص در هنگام حرکت اتومبیل دارد، با ترمز ناگهانی احتمال پرتاب شدن و آسیب به شخص وجود دارد و استفاده از کمربند جهت محافظت ضروری است.

پرتاب شدن شخص در حین تصادف.
اینرسی و نبستن کمربند ایمنی باعث شده است اشخاص هنگام ترمز گرفتن ماشین به جلو پرتاب شوند.

فرض کنید اتومبیل زیر با سرعت ثابتی شروع به حرکت در جاده کند، در حالی که روی سقف آن، یک نردبان بلند به‌صورت افقی قرار داده شده است. این نردبان حرکتی کاملا مشابه حرکت اتومبیل دارد. اگر اتومبیل در حین حرکت ناگهان ترمز بگیرد، نیروی ترمز باعث می‌شود سرعت آن کاهش پیدا کند و این تغییر سرعت شتاب ایجاد خواهد کرد. شتاب ترمز در نهایت باعث توقف اتومبیل می‌شود. تمام این اتفاقات در زمان خیلی کوتاهی رخ می‌دهد. اما برای نردبان چه اتفاقی می‌افتد؟

نردبانی بالای یک اتومیبل قرار داده شده است.
کاربرد قانون اول نیوتن برای جلوگیری از افتادن نردبان

طبق قانون اینرسی، نردبان تمایل دارد که حرکت قبلی خود را با سرعت ثابت ادامه دهد. با ترمز گرفتن ناگهانی اتومبیل، نردبان حرکتی به سمت جلو خواهد داشت و از روی آن به سمت زمین پرتاب خواهد شد. پس با توجه به نتایجی که طبق قانون اول نیوتن پیش‌بینی می‌شود، بهتر است پیش از شروع حرکت نردبان را روی اتومبیل ثابت کنیم تا پرتاب نشود.

تفاوت قانون اول و دوم نیوتن

پس از اینکه یاد گرفتیم قانون اون نیوتن چیست، بهتر است به بررسی تفاوت آن با قانون دوم نیز بپردازیم. در قانوم دوم نیوتن شرایطی بررسی می‌شود که مجموع نیروهای وارد بر جسم، مخالف صفر باشد. یعنی شرایطی که چند نیرو به جسم وارد شوند و جمع برداری این نیروها صفر نشود. در این صورت می‌گوییم نیروها نامتوازن یا نامتعادل (Unbalanced Forces) هستند. بنابراین در مجموع، یک نیروی برآیند مخالف صفر به جسم وارد می‌شود.

در واقع اگر شرط اولیه قانون اول نیوتن برقرار نشود، با قانون دوم نیوتن مواجه هستیم. در این قانون نیروی خالص وارد شده به جسم باعث می‌شود سرعت آن تغییر کند. از آن‌جایی که سرعت یک کمیت برداری است، پس تغییر سرعت شامل تغییر اندازه یا تغییر جهت یا تغییر هر دو خواهد شد. از تعریف شتاب می‌دانیم شتاب معادل تغییرات سرعت با زمان است. بنابراین در قانون دوم نیوتن، حرکت جسم شتاب‌دار است.

اندازه شتابی که جسم در قانون دوم نیوتن دریافت می‌کند با نیرویی که به آن وارد شده است، متناسب است و با جرم جسم نسبت عکس دارد. فرمول مهم قانون دوم نیوتن که این توضیح را در خود گنجانده است، به‌صورت زیر است:

$$\sum\vec{F}=m\vec{a}$$

قانون سوم نیوتن

قانون سوم نیوتن بیان می‌کند در طبیعت برای هر نیرو یا «عملی» (Action)، یک نیرو یا «عکس‌العمل» (Reaction) مساوی و در خلاف جهت وجود دارد. یعنی اگر جسم A به جسم B نیروی FAB را وارد کند، جسم B به جسم A نیروی FBA را در خلاف جهت وارد می‌کند، طوری که برای اندازه این دو نیرو داریم: FAB=FBA. به‌عبارتی در این قانون، نیروها از برهم‌کنش‌ها نتیجه می‌شوند.

بالن قرمزی در حال حرکت به سمت بالا است.
بالنی در حال حرکت به سمت بالا است، در حالی که هوای داخل آن به سمت پایین تخلیه می‌شود.

در شکل بالا، مثالی از دو نیروی عمل و عکس‌العمل بین یک بالن و هوا نشان داده شده است. با تخلیه هوا از گردنه بالن، نیروی هوا به بالن وارد می‌شود و با حرکت بالن به سمت بالا، بالن نیروی عکس العمل را به هوا وارد می‌کند.

مسیر یادگیری فیزیک مکانیک با فرادرس

در این مطلب سعی شده است مفهوم قانون اول نیوتن به زبان ساده توضیح داده شود. چنانچه تمایل دارید یادگیری خود را در زمینه «فیزیک مکانیک» در سطح دانشگاهی با استفاده از فیلم‌های آموزشی فرادرس پله به پله کامل‌تر کنید، می‌توانید از مجموعه آموزش‌های زیر بهره بگیرید:

چند عنوان آموزشی مربوط به فیزیک پایه در شکل نشان داده شده است.
  1. فیلم آموزش رایگان بردارها در فیزیک ۱ دانشگاهی فرادرس
  2. فیلم آموزش فیزیک پایه ۱ فرادرس
  3. فیلم آموزش فیزیک ۱ دانشگاهی با رویکرد حل مساله فرادرس
  4. فیلم آموزش فیزیک پایه ۱ مرور و حل تست فرادرس
  5. فیلم آموزش فیزیک پایه ۱ مرور و حل مساله فرادرس

آزمون قانون اول نیوتن

با توجه به مطالبی که تا اینجا آموختید، در این بخش می‌توانید با حل سوالاتی که در قالب آزمون برای شما تهیه شده است، دانش خود را در مورد قانون اول نیوتن محک بزنید. پس از انتخاب پاسخ‌های صحیح با کلیک روی دکمه «دریافت نتیجه آزمون» می‌توانید نمره خود را دریافت کنید. همچنین پاسخ تشریحی سوالات برای یادگیری بیشتر شما پس از هر سوال درج شده است.

کدام گزینه مربوط به تعریف قانون اول نیوتن است؟

هر دو جسم، به یکدیگر نیروهایی برابر و در خلاف جهت هم وارد می‌کنند.

شتاب حاصل از اعمال نیرو به یک جسم، با جرم آن نسبت معکوس دارد.

اجسام تنها زمانی سرعت خود را تغییر می‌دهند که به آن‌ها نیرویی وارد شود.

اندازه نیروهای عمل و عکس‌العمل همیشه با هم برابر است.

شرح پاسخ

گزینه اول و چهارم مربوط به قانون سوم نیوتن هستند. قانون سوم نیوتن بیان‌ می‌کند که هر دو جسم همیشه به هم نیروهایی مساوی و در خلاف جهت هم وارد می‌کنند. این دو نیرو نیروهای عمل و عکس‌العمل نامیده می‌شوند.

گزینه دوم نیز همان توضیح رابطه شتاب و جرم، در فرمول قانون دوم نیوتن است. بنابراین، گزینه سوم تنها گزینه ای است که مربوط به قانون اول است. می‌دانیم اگر نیرویی به جسم وارد نشود، سرعت جسم تغییری نمی‌کند. این گزینه دقیقا عکس این جمله را بیان کرده است.

اگر امکان مشاهده حرکت جسمی در «فضای بین ستاره‌‌ای» (Interstellar) را داشته باشیم، متوجه خواهیم شد که چون در این فضا جسم تحت اثر هیچ نیرویی از جمله نیروی جاذبه زمین نیست، پس به حرکت خود با سرعت ثابتی ادامه می‌دهد. مگر اینکه با جسم دیگری در فضا برخورد کند تا متوقف شود.

فرض کنید یک کاوش‌گر فضایی با دو موشک خاموش، با سرعت ثابتی به سمت راست در یک فضای بین ستاره‌‌ای رانده می‌‌شود و در جایی خیلی دور از سیارات و ستاره‌ها با این سرعت حرکت می‌کند. اگر دو موشک این کاوش‌گر هم‌زمان روشن شوند و نیروهایی مساوی و در خلاف جهت هم طبق شکل زیر به آن وارد کنند، حرکت چگونه خواهد شد؟

یک کاوش‌گر فضایی در حال حرکت در فضا است.

کاوش‌گر با سرعت ثابت به حرکت خود ادامه می‌دهد.

حرکت کاوش‌گر سرعت می‌گیرد.

حرکت کاوش‌گر آهسته می‌شود و کم‌کم متوقف می‌شود.

کاوش‌گر فورا متوقف می‌شود.

شرح پاسخ

پاسخ صحیح، گزینه اول است. کاوش‌گر برای تغییر حرکت اولیه خود، به دریافت نیرویی مخالف صفر نیاز دارد. در این سوال حرکت کاوش‌گر قبل از روشن شدن موشک‌ها، حرکت با سرعت ثابت است. پس از روشن شدن موشک‌ها، چون هر دو موشک نیروهایی مساوی و در خلاف جهت هم به کاوش‌گر از دو جهت وارد می‌کنند، پس این دو نیرو یکدیگر را خنثی کرده و در نهایت داریم: ΣF=۰.

بنابراین چون در نهایت نیرویی به کاوش‌گر وارد نمی‌شود، به حرکت قبلی خود با سرعت ثابت ادامه می دهد.

آسانسوری به کمک یک کابل با سرعت ثابت به سمت بالا کشیده می‌شود. در حالتی که آسانسور به سمت بالا رفتن با سرعت ثابت است، چه رابطه‌ای بین اندازه دو نیروی وارد بر آسانسور یعنی نیروی بالابرنده (Fc) و نیروی پایین‌برنده (Fg)، برقرار است؟

$$F_g \leq F_c$$

$$F_g = F_c$$

$$F_g \geq F_c$$

بسته به جرم آسانسور، Fc می‌تواند کوچک‌تر، مساوی یا بزرگ‌تر از Fg باشد.

شرح پاسخ

در این سوال نیروی بالابرنده همان نیروی کشش کابل است و نیروی پایین‌برنده همان نیروی جاذبه زمین است. هر دوی این نیروها هم‌زمان به آسانسور وارد می‌شوند. در سوال خواسته شده که در حالت حرکت با سرعت ثابت، این دو نیرو چه رابطه‌ای با هم دارند.

چون آسانسور با سرعت ثابت حرکت می‌کند، پس طبق قاون اول نیوتن برآیند نیروهای وارد بر آن صفر است. بنابراین دو نیروی در خلاف جهت هم، یکدیگر را خنثی کرده‌اند. پس $$F_g = F_c$$ و گزینه دوم صحیح است.

یک کاوش‌گر فضایی با دو موشک خاموش، با سرعت ثابتی به سمت راست یک فضای بین ستاره‌‌ای رانده می‌‌شود و در جایی خیلی دور از سیارات و ستاره‌ها با این سرعت حرکت می‌کند. اگر یک موشک این کاوش‌گر برای مدت خیلی کوتاهی در جهت نشان داده شده در شکل روشن و خاموش شود، مسیر حرکت کاوش‌گر پس از خاموش شدن این موشک کدام است؟

یک کاوش‌گر فضایی در حال حرکت در فضا است.

مسیر a

مسیر b

مسیر c

مسیر d

شرح پاسخ

پاسخ درست گزینه سوم است. در این مثال با توجه به سوال و شکل داده شده، سه مرحله داریم:

  1. پیش از روشن شدن موشک: هیچ نیرویی به کاوش‌گر وارد نمی‌شود. پس در حال حرکت با سرعت ثابت به سمت راست است.
  2. بازه‌ای که موشک روشن است: نیروی پیشران موشک به‌صورت عمودی و به سمت پایین به کاوش‌گر وارد می‌شود. پس به سرعت قبلی آن که یک سرعت افقی به سمت راست بود، یک مولفه عمودی به سمت پایین اضافه می‌شود. مجموع این دو سرعت، یک بردار مایل یا قطری شکل خواهد شد.
  3. پس از خاموش شدن موشک: نیروی پیشران صفر می‌شود و مجددا هیچ نیرویی به کاوش‌گر وارد نمی‌شود. پس باید اندازه و جهت سرعت هر دو ثابت بمانند. بنابراین کاوش‌گر باید در یک خط راست به حرکت خود ادامه دهد.

پس مسیری را انتخاب می‌کنیم که روی یک خط راست است. در مسیرهای نشان داده شده، قطعا مسیر b نمی‌تواند درست باشد. با خاموش شدن موشک، کاوش‌گر به حفظ وضعیت قبل از خاموش شدن موشک ادامه می‌دهد. یعنی با سرعت مایل، به حرکت خود در مسیر مستقیم ادامه می‌دهد. مسیر c، مسیر صحیح است.

هر زمان که جسمی در حالت پایداری قرار دارد، تمام نیروهای وارد بر آن حتما در تعادل هستند.

درست

نادرست

شرح پاسخ

این جمله درست است. در واقعیت همیشه حداقل نیروهایی مانند نیروی وزن به جسم وارد می‌شوند. پس اگر جسم در حالت تعادل است، یعنی این نیروها یکدیگر را خنثی کرده‌اند.

کدام قانون علت اینکه چرا ماهواره‌ها به سوخت کمی برای ماندن در مدار احتیاج دارند، را به‌خوبی توضیح می‌دهد؟

قانون اول نیوتن

قانون دوم نیوتن

قانون سوم نیوتن

شرح پاسخ

گزینه صحیح قانون اول نیوتن است. به ماهواره‌ها در فضا نیرویی وارد نمی‌شود، مگر اینکه در حین حرکت به چیزی برخورد کنند. بنابراین برای اینکه بر نیروهای احتمالی بتوانند غلبه کنند لازم است نیرویی تولید کنند. به همین جهت، به سوخت کمی نیاز دارند.

اینرسی یک جسم باعث می‌شود که جسم همواره به حالت سکون برسد.

درست

نادرست

شرح پاسخ

این جمله اشتباه است. چون اینرسی باعث می‌شود جسم وضعیت حرکتی خود را حفظ کند. بنابراین لزوما وضعیت قبلی جسم در حالت سکون نبوده است. ممکن است در حالت حرکت بوده و اینرسی باعث شود همچنان در حرکت بماند.

کدام گزینه اینرسی بیشتری دارد؟

یک کامیون

یک گربه

یک پشه

یک برد اسکیت

شرح پاسخ

همان‌طور که گفتیم بین جرم یک جسم و اینرسی‌ آن، رابطه مستقیمی وجود دارد. پس هر چه جسم جرم بیشتری داشته باشد یا سنگین‌تر باشد، اینرسی بیشتری دارد. بنابراین گزینه صحیح کامیون است.

کدام جمله صحیح نیست؟

قانون اول نیوتن، همان قانون پایستگی تکانه است.

در قانون اول نیوتن $$\sum F=0$$ برقرار است.

در قانون اول نیوتن $$ F_{net}=0$$ برقرار است.

در قانون اول نیوتن $$ F=0$$ برقرار است.

شرح پاسخ

گزینه چهارم جمله اشتباه است. مابقی گزینه‌ها، همه به نوعی تعریف و فرمول‌بندی قانون اول نیوتن به‌شمار می‌روند.

کدام یک از جملات زیر نادرست است؟

اگر نیروی برآیند وارد بر جسمی صفر شود، سرعت آن تغییری نخواهد کرد.

نیروی برآیند وارد بر یک جسم، همیشه روی اندازه سرعت آن اثر می‌گذارد.

در زندگی روزمره اجسام در حال حرکت تمایل دارند متوقف شوند، چون همیشه تحت تاثیر نیرویی هستند.

نیروی برآیند وارد بر یک جسم، گاهی باعث می‌شود جهت حرکت آن را تغییر کند.

شرح پاسخ

در گزینه دوم بیان شده که نیروی برآیند وارد به جسم همیشه اندازه سرعت را تغییر می‌دهد. می‌دانیم سرعت یک کمیت برداری است، پس دارای اندازه و جهت است. برای مثال نیروهای وارد شده به جسمی که در یک مسیر دایره‌ای در حال حرکت است، فقط باعث تغییر جهت سرعت می‌شوند اما اندازه سرعت تغییر نمی‌کند. بنابراین کاربرد کلمه «همیشه» باعث می‌شود این جمله اشتباه باشد.

در گزینه اول همان‌طور که توضیح داده شد، اگر هیچ نیرویی به جسم در حال حرکت با سرعت ثابت وارد نشود، سرعت جسم تغییری نمی‌کند و جسم با همان وضعیت حرکتی قبلی به حرکت خود ادامه می‌دهد.

گزینه سوم هم صحیح است. آنچه که باعث توقف اجسام در حال حرکت می‌شود، دریافت نیرو است. این نیرو می‌تواند نیروی وارد شده از طرف شما باشد یا نیروهایی که در طبیعت وجود دارند مانند اصطکاک، مقاومت هوا و جاذبه زمین.

در گزینه چهارم اگر به جای کلمه «گاهی» مثل گزینه دوم از کلمه «همیشه» استفاده می‌شد، اشتباه بود. نیروی وارد بر یک جسم در حال حرکت می‌تواند در جهت حرکت به آن اعمال شود. در این صورت جهت بردار سرعت تغییر نمی‌کند. اما اندازه آن تغییر خواهد کرد. می‌دانیم تغییرات سرعت به هر نحوی ایجاد شتاب می‌کند. پس حرکت جسم شتاب‌دار می‌شود.

جمع‌بندی

در فیزیک مکانیک، اگر چند نیرو به جسم وارد شود، با استفاده از قوانین جمع برداری می‌توانیم حاصل جمع نیروها را محاسبه کنیم. حاصل جمع برداری نیروهای وارد بر جسم، «نیروی برآیند» وارد بر جسم نامیده می‌شود. قانون اول نیوتن به بررسی حرکت جسم در شرایطی که هیچ نیرویی به آن وارد نشود، می‌پردازد و دارای ویژگی‌های زیر است:

  • طبق قانون اول نیوتن، اگر نیروی برآیند وارد بر جسم ساکنی صفر باشد، جسم ساکن می‌ماند.
  • طبق قانون اول نیوتن، اگر جسمی در حال حرکت با سرعت ثابت باشد و برآیند نیروهای وارد بر آن صفر شود، جسم به حرکت قبلی خود ادامه می‌دهد. در این قانون، اگر جسم در حال حرکت باشد، اندازه و جهت سرعت تغییر نمی‌کند.

همچنین یکی از مفاهیم مهمی که در قانون اول وجود دارد، اینرسی است. اینرسی، لختی یا ماند به تمایل یک جسم برای تغییر نکردن وضعیت حرکتی‌اش، گفته می‌شود. اینرسی یک جسم به جرم آن بستگی دارد، به این صورت که هرچه جرم جسم بیشتر باشد، اینرسی آن هم بیشتر است. اگر بخواهیم بین قانون اول و دوم نیوتن تمایزی قائل شویم، می‌گوییم در قانون اول نیوتن مجموع نیروهای وارد بر جسم صفر است اما در قانون دوم نیوتن، مجموع نیروهای وارد بر جسم مخالف صفر است. بنابراین در قانون دوم، حرکت جسم شتاب‌دار خواهد شد. به‌علاوه، در این مطلب دیدیم که قانون اول نیوتن به نوعی معادل قانون پایستگی تکانه است.

بر اساس رای ۳ نفر
آیا این مطلب برای شما مفید بود؟
اگر بازخوردی درباره این مطلب دارید یا پرسشی دارید که بدون پاسخ مانده است، آن را از طریق بخش نظرات مطرح کنید.
منابع:
Khan AcademyNasaThe Physics ClassroomPraxiLabs
نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *