دینامیکدینامیکفیزیک پیش دانشگاهیفیزیک دوم دبیرستان

قانون های نیوتن

قانون های نیوتن برای حرکت (مکانیک کلاسیک)

قانون های نیوتن:

بین جسمی که هیچ نیروی خارجی بر آن وارد نمی شود و یا جسمی که برایند نیروهای خارجی بر آن صفر است، فرقی نیست. معمولا برایند نیروهای وارد بر جسم را ” نیروی خالص” می نامیم. برای مثال، نیروی وارد از طرف دست ما بر بلوکه ای که می لغزد، می تواند در جهت عکس نیرویی باشد که نیروی اصطکاک نامیده می شود، نیروی رو به بالای سطح نیز می تواند بر خلاف نیروی جاذبه وارد شود. بنابراین نیروی خالص وارد بر بلوکه می تواند صفر باشد و بلوکه می تواند با سرعت ثابت حرکت کند. اگر چه چهار نیرو بر بلوکه وارد می شود، ولی نیروی خالص می تواند صفر باشد. نیروی خالص با جمع برداری همه نیروهایی که بر جسم وارد می شود، مشخص می شود.

newtons law 00 قانون های نیوتن

قانون اول نیوتن : هرگاه نیروی خالص وارد بر جسم صفر باشد، آن جسم اگر در حال سکون است، همواره ساکن، و اگر در حال حرکت است به حرکت یکنواخت خود ادامه خواهد داد.

قانون اول و چارچوب مرجع لخت:

تصور کنید که بر اتومبیلی سوار هستید و کمر بند خود را محکم بسته اید. هنگام ترمز، کتابی که در کنار شما و روی صندلی است به جلو می لغزد. در ظاهر، هیچ نیرویی کتاب را به جلو نمی راند، اما مشاهده می شود که بر خلاف قانون نیوتن، کتاب نسبت به شما شروع به حرکت می کند. دوست شما سپهر که در کنار خیابان ایستاده است، شما، اتومبیل و کتاب را می بیند که همه با هم به فرض با تندی ۲۰ متر بر ثانیه، حرکت می کنید. اگر شما و اتومبیل به طور ناگهانی تندی خود را به ۱۵ متر بر ثانیه کاهش دهید در غیاب اصطکاک بین کتاب و صندلی، از نظر سپهر کتاب با سرعت ۲۰ متر بر ثانیه به حرکت خود ادامه می دهد. سپهر می گوید هیچ چیز غیر عادی نیست و قانون اول نیوتن نقض نشده است. هر یک از ناظران اعم از شما در اتومبیل یا سپهر در کنار خیابان، یک چارچوب مرجع را معین می کنند. هر چارچوب مرجع، نیازمند یک دشتگاه مختصات و مجموعه ای از نشانگرهایی است که ناظر را قادر می سازد که مکتن ها، سرعت ها و شتاب ها در چارچوب مرجع خاصش ثبت کند.

قانون اول نیوتن اگر چه در ظاهر بدیهی به نظر می رسد، بدلیل اینکه به ما کمک می کند تا چارچوب های مرجع خاص را برای اعمال قانون های مکانیک کلاسیک تعریف کنیم، بسیار مهم است. در مثال فوق شما و سپهر به نتایج مختلفی در مورد شتاب کتاب رسیدید، شما به این نتیجه رسیدید که کتاب، شتاب رو به جلو دارد، در حالی که شتاب کتاب از نظر سپهر صفر بود. در حالت کلی، شتاب یک جسم به چارچوب مرجعی که آن را اندازه گیری می کند، بستگی دارد. قانون های نیوتن فقط در مجموعه ای از چارچوب های مرجع معین که همه ناظران در آن ها بتوانند شتاب یکسانی را برای یک جسم متحرک اندازه بگیرند معتبر است. بنابراین می توان قانون اول نیوتن را به صورت زیر بیان کنیم :

اگر نیروی خالص وارد بر جسمی صفر باشد، می توان مجموعه ای از چارچوب های مرجع را که جسم در آن ها شتاب نداشته باشد پیدا کرد.

تمایل یک جسم به ماندن در حالت سکون و یا داشتن حرکت خطی یکنواخت، لختی نامیده می شود و قانون اول نیوتن را گاهی قانون لختی گویند. چارچوب مرجعی که این قانون در آن اعمال می شود چارچوب لخت نامیده می شود.

وقتی بر اتومبیلی سوار هستید که سرعت آن کاهش می یابد، چارچوب مرجع شما یک چارچوب لخت نیست و شما نمی توانید به طور مستقیم از قانون های مکانیک، که ما فرمول بندی کردیم استفاده کنید. اگر چارچوب مرجع سپهر از عهده آزمایش فوق براید، او موفق به استفاده از قانون های مکانیک در چارچوب مرجع خودش خواهد بود. سپهر می تواند تغییر در سرعت اتومبیل ( به دلیل نیروی اصطکاک جاده) و بنابراین شتاب اتومبیل را اندازه گیری کند. اما در مورد کتاب، او می گوید که نیروی خالص وارد بر کتاب صفر است، پس باید با سرعت ثابت حرکت کند.

قانون دوم نیوتن: اگر نیروی خالص وارد بر یک جسم صفر نباشد، جسم در جهت برایند نیروهای وارد بر جسم شتابی می گیرد، که این شتاب با نیرو رابطه مستقیم و با جرم جسم رابطه وارون دارد. یعنی:

newtons law 02 قانون های نیوتن

که این معادله، معادله اصلی مکانیک است.

دقت شود که قانون اول حالت خاصی از قانون دوم، یعنی وقتی که ΣF=0 و a=0 است، می باشد.به عبارتی دیگر اگر نیروی خالص وارد بر جسم صفر باشد، شتاب آن صفر است و جسم با سرعت ثابت حرکت می کند. و این همان قانون اول است.

با این حال، قانون اول نقش مهم و منحصر به فردی در تعریف چارچوب های مرجع لخت دارد و بدون این تعریف نمی توانیم چارچوب های مرجع را انتخاب کنیم که در آن قانون دوم را به کار بریم. بنابراین در مکانیک ما به هر دو قانون نیاز داریم.

قانون سوم نیوتن: وقتی که جسمی بر جسم دیگری نیرو وارد می کند، جسم دوم نیز به جسم اول نیرویی وارد می کند. این نیروها از نظر اندازه یکسان و از نظر جهت مخالف هم هستند.

newtons law 01 قانون های نیوتن

علامت منفی در شکل به این معناست که دو نیروی F12 و F21 در جهت مخالف هم عمل می کنند. این دو نیرو بخاطر نحوه اندرکنش دو جسم به عنوان نیروهای کنش و واکنش نام گذاری می شوند. هر کدام از این نیروها را می توان کنش یا واکنش نامید. در حقیقت هر دو نیرو به دلیل اثر متقابل بر یکدیگر حضور دارند، ولی ما برای راحتی یکی را کنش و دیگری را واکنش انتخاب کردیم. و بدین ترتیب بیان کوتاهی از قانون سوم نیوتن را بدست می آوریم.

برای هر کنشی، واکنشی است برابر و در جهت مخالف.

دقت به این مطلب اهمیت دارد که بدانیم، همانطور کهاز شاخص های مربوطه بر می آید، نیروهای کنش و واکنش همیشه به اجسام مختلف وارد می شوند. گاهی شما با وضعیتی مواجه می شوید که در آن دو نیروی برابر و در خلاف جهت بر یک جسم وارد می شوند. چون این دو بر یک جسم وارد می شوند پس نمی توانند یک جفت نیروی کنش- واکنش باشند. در یک جفت نیروی کنش- واکنش یکی از نیروها بر جسم ۱ و دیگری بر جسم ۲ وارد می شود.

به طور مثال در شکل زیر شناگر به دیواره استخر، نیروی Ffw  وارد می کند که آن را کنش می نامیم و طبق قانون سوم نیوتن دیواره استخر، به شناگر نیروی Fwf که آن را واکنش می نامیم، وارد می کند. ولی اگر بخواهیم حرکت شناگر را توصیف کنیم، فقط باید نیروهای وارد بر شناگر را در نظر گرفت. یعنی نیروهای شناوری (رو به بالا)، نیروی وزن (رو به پایین)، نیروی واکنش دیوار Fwf  و در صورتی که اصطکاک را در نظر بگیریم، نیروی اصطکاک بدن شناگر با آب در خلاف جهت حرکت. که در شکل زیر مشاهده می کنید.

newtons law 03 قانون های نیوتن

نباید این اشتباه را مرتکب شویم که چون نیروی پای شناگر به دیوار برابر با نیروی دیوار به پای شناگر است و در خلاف جهت هم اند، یکدیگر را خنثی کرده و شناگر حرکت نمی کند. در واقع این دو نیرو به دو جسم مختلف ( پای شناگر و دیوار ) وارد می شوند و برای حرکت شناگر ما نیاز به قانون دوم نیوتن داریم و قانون دوم فقط برای یک جسم بیان می شود.

 

به سوالات زیر بر اساس قانون های نیوتن پاسخ دهید:

۱ ) چرا هنگامی که اتوبوس ترمز می کند شما به سمت جلو، و وقتی که از حالت سکون شروع به حرکت می کند و شتاب می گیرد به سمت عقب می روید ؟

۲) بلوکه ای به جرم m توسط ریسمان C از سقف آویزان شده و ریسمان مشاهبهی مانند D به زیر بلوکه متصل شده است. اگر ریسمان D را ناگهانی بکشید پاره می شود در حالی که اگر آن را آرام و مداوم بکشید ریسمان C پاره می شود. توضیح دهید چرا ؟

newtons law 04 قانون های نیوتن

۳) آیا می توان قانون اول نیوتن را صرفا حالت خاصی از قانون دوم نیوتن با شتاب صفر فرض کرد ؟ اگر چنین است آیا واقعا به قانون اول نیازی هست ؟

۴) اگر ارتباطی بین نیروی وارد بر جسم و جهت حرکت آن وجود دارد، این ارتباط چگونه است ؟

۵) جسمی را در نظر بگیرید که تحت تاثیر دو نیرو شتاب می گیرد. آیا می توان نتیجه گرفت که: الف) این جسم نمی تواند با تندی ثابت حرکت کند. ب) سرعت آن هرگز صفر نخواهد بود. ج) مجموع این دو نیرو نمی تواند صفر باشد. د) این دو نیرو بایستی در امتداد یک خط وارد شوند.

۶) آیا نیروهای زیر جفت نیروی کنش- واکنش هستند؟

الف) زمین آجر را جذب می کند، آجر نیز زمین را جذب می کند. ب) ملخ هواپیما هوا را به طرف عقب می راند، هوا نیز هواپیما را به جلو می راند ج) اسب، گاری را می کشد و آن را حرکت می دهد، گاری نیز اسب را به سمت عقب می کشد. د) اسب گاری را به جلو می کشد بدون اینکه حرکت کند، زمین نیرویی برابر و مخالف آن بر گاری وارد می کند. و) زمین گاری را به سمتپایین می کشد، سطح با نیرویی برابر و مخالف گاری را به سمت بالا می راند.

۷) در مورد این جمله صحیح توضیح دهید. در نبرد طناب کشی بین دو تیم، تیمی که بتواند با شدت بیشتری بر سطح زمین فشار وارد کند، برنده است.

۸) دو دانش آموز تلاش می کنند تا طنابی را پاره کنند. ابتدا آن ها در خلاف جهت یکدیگر طناب را می کشند و موفق نمی شوند. سپس آنها یک سر طناب را به دیوار محکم می بندند و سر دیگر آن را دو نفری می کشند، آیا این حالت از حالت اول بهتر است؟ توضیح دهید.

۹)ناظران واقع در دو چارچوب لخت مختلف برای جسم متحرکی شتاب یکسانی اندازه گرفته اند. آیا سرعت اندازه گیری شده توسط آن ها نیز یکسان است ؟ آیا آن ها نیرویی وارد بر جسم متحرک را نیز یکسان اندازه می گیرند؟

۱۰) اسبی قرار است ارابه ای را بکشد اما امتناع می کند. قانون سوم نیوتن را شاهد بگیرید: کشش وارد از اسب بر گاری برابر و مخالف کشش ارابه به اسب است. اسب سوال می کند که اگر من هرگز نیرویی بزرگتر از آنچه ارابه بر من وارد می کند وارد نکنم، چگونه می توانم ارابه را حرکت دهم ؟ چه پاسخی برای اسب دارید ؟

دانلود پاسخ سوالات قانون های نیوتن :

 

برچسب ها

کبیری

مصطفی کبیری کناری متولد سال ۱۳۶۷ در شهرستان فریدونکنار (استان مازندران) ، دبیر فیزیک دبیرستان های شهرستان کلاردشت با سوابق تحصیلی کارشناسی رشته دبیری فیزیک در دانشگاه مازندران و کارشناسی ارشد فیزیک حالت جامد در دانشگاه تربیت مدرس تهران هستم . هدف از ایجاد این سایت برای من ، ایجاد یک محیطی آموزشی کارآمد است که در آن دانش آموزان بتوانند فیزیک را به صورت پایه ای و مفهومی بیاموزند .

مطالب مشابه

پاسخ دهید

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

همچنین ببینید

بستن
بستن