تعريف الحركة
تُعتبر الحركة سمةً ميكانيكيةً أساسيةً للجسم، وتحظى بأهمية كبيرة في مجال الفيزياء؛ حيث قام العلماء بتطوير عدة قوانين ليوضحوا الحركة وأسباب تغيير حركة الأجسام. ووفقًا للفيزياء، تُعرَف الحركة بأنها التغيير في موقع الجسم أو اتجاهه عبر فترة زمنية معينة.
كان العالم إسحق نيوتن من أول من وضع الأساس لقوانين الحركة التي فسّرت العديد من الظواهر الفيزيائية وأرست أسس علم الميكانيكا الكلاسيكية. وقد جمع هذه القوانين في ثلاثة مبادئ تُعرف بقوانين نيوتن للحركة، حيث ربط في هذه المبادئ بين حركة الجسم والقوة المؤثرة عليه.
قوانين نيوتن للحركة
يعتبر إسحق نيوتن واحدًا من أكثر العلماء تأثيرًا على مر العصور. لقد فسّرت قوانينه الثلاثة حركة الأجسام وكيفية تفاعلها، وشكّلت ثورة في علم الفيزياء منذ حوالي ثلاثة قرون. وقد تم تأكيد تلك القوانين من قبل العديد من العلماء من خلال تجارب متعددة، ولا تزال تُستخدم على نطاق واسع في تفسير حركة الأجسام في حياتنا اليومية.
القانون الأول
ينص قانون نيوتن الأول على أن الجسم الساكن يبقى ساكنًا، والجسم المتحرك يبقى متحركًا ما لم تؤثر عليهما قوة خارجية. وهذا يعني أن الجسم لا يبدأ في الحركة أو يتوقف عنها أو يغير اتجاهه إلا إذا أثرت عليه قوة من الخارج أدت إلى هذا التغيير.
القانون الثاني
يشير القانون الثاني إلى تأثير القوة الخارجية على الجسم، وينص على أن القوة المؤثرة على الجسم تساوي كتلة هذا الجسم مضروبة في تسارعه. يُعبر عن ذلك بالعلاقة:
القوة = الكتلة × التسارع
حيث إن القوة والتسارع كميتان متجهتان، ويمكن أن تكون القوة مفردة أو مركبة من قوى متعددة.
عند تعرض الجسم لقوة ثابتة، فإن ذلك يؤدى إلى تسارعه، أي تحدث تغييرات في سرعته بمعدل ثابت. وإذا تعرض جسم ساكن لقوة خارجية، فإن ذلك سيؤدي إلى تسارعه باتجاه تلك القوة. في حالة كون الجسم متحركًا، فإن القوة قد تزيد سرعة الجسم أو تُبطئها، كما يمكن أن تغير اتجاهه وفقاً لاتجاه القوة.
القانون الثالث
ينص قانون نيوتن الثالث على أنه لكل فعل هناك رد فعل موازٍ له في المقدار ومعاكس له في الاتجاه. هذا القانون يوضح تفاعل جسمين عندما يؤثر أحدهما على الآخر بقوة، حيث ينشأ تأثير القوة بين زوجين من الأجسام. فعندما يقوم جسم بدفع جسم آخر بقوة معينة، فإن الجسم المتحرك سيدفع الجسم الآخر بنفس مقدار القوة عند لحظة الدفع. وفي حالة كون الجسم المؤثر أكبر بكثير من الجسم الآخر، فإن الجسم الأكبر لن يتأثر بشكل كبير بتأثير رد فعل الجسم الآخر، أو قد يكون تأثيره ضعيفًا لدرجة يمكن إغفالها.
تطبيقات عملية
توجد العديد من التطبيقات العملية لقوانين نيوتن في حياتنا اليومية. على سبيل المثال، يمكن تطبيق قانون نيوتن الأول على حوادث السيارات. عندما تتحرك سيارة في مسار مستقيم بسرعة معينة، فإنها ستستمر في نفس الحركة إلا إذا أثرت عليها قوة خارجية قد تغير سرعتها أو اتجاهها. كما أن الركاب داخل السيارة سيتحركون بنفس سرعة السيارة، لذا فإن ارتطام السيارة بجدار أو عقبة سيؤدي إلى توقف السيارة، ولكن الركاب سيستمرون في التحرك بنفس السرعة حتى يصطدموا بشيء يوقف حركتهم. لهذا السبب، يعد حزام الأمان ضروريًا لحماية الركاب، حيث يمنعهم من مواصلة الحركة بمجرد تغير سرعة السيارة نتيجة الاصطدام.
أنواع الحركة
توجد أنواع عديدة من الحركة في علم الميكانيكا الحديثة، منها الحركة الانتقالية، الحركة الدورانية، والحركة التذبذبية المعقدة، وتفصيل هذه الأنواع على النحو التالي:
الحركة الانتقالية
تُعرف الحركة الانتقالية أيضاً بالحركة الخطية، حيث يتحرك الجسم فيها بخط مستقيم في بُعد واحد واتجاه واحد. وهذا على النقيض من الحركة الدورانية التي تتضمن دوران الجسم حول محوره. على سبيل المثال، إذا تم رسم سهم على جسم يتحرك حركة انتقالية، سيبقى السهم موجهًا إلى نفس الاتجاه. ومع ذلك، الحركة الانتقالية ليست دائمًا محسوسة عملياً، حيث قد يتحرك الجسم في مسار منحني دون تغيير اتجاهه.
العلم الذي يختص بدراسة الحركة الانتقالية يُعرف بالديناميكية الانتقالية، حيث يعتمد على العديد من القوانين والمعادلات الرئيسية، ونُستخدم فيه قوانين نيوتن للحركة. ومن أمثلة القوى التي تؤثر على الأجسام، الجاذبية والاحتكاك، فتُستخدم مبادئ الحركة الانتقالية في شرح حرارة المادة من خلال حركة الجزيئات داخلها.
الحركة الدَّورانية
تتعلق الحركة الدورانية بدوران الجسم حول مركزه أو محوره، وتعتمد على عزم القوة، وهو المقدار اللازم للتأثير على الجسم ليمكنه الدوران حول محوره. يمكن التعبير عن ذلك بالعلاقة:
العزم = القوة × المسافة × زاوية
حيث تعبر المسافة عن الفاصل بين المحور الذي يدور حوله الجسم والنقطة التي تعرضت للقوة، والزاوية هي الزاوية بين القوة والمسافة. وبذلك تكتسب الأجسام التي تدور حول محورها طاقة حركية.
الحركة التذبذبية
الحركة التذبذبية هي حركة تحدث نتيجة تغيير متكرر بزمن محدد؛ أي أن الحركة تتكرر عبر مدة زمنية. ومن الأمثلة الشائعة على هذه الحركة حركة بندول الساعة الذي يتحرك يمنة ويسرة حول نقطة توازن تقع في وسط البندول خلال فترة زمنية معينة، ثم تعيد الحركة تكرار نفسها بنفس الطريقة مع مرور الزمن وفي فترات زمنية ثابتة.