قوانین حرکت نیوتن

سه قانون حرکت نیوتن، اصول بنیادی هستند که نیروهای وارد بر یک جسم را به حرکت آن مرتبط می‌کنند: قانون اینرسی، قانون F = dp/dt، و قانون عمل و عکس‌العمل.

Definition

قوانین حرکت نیوتن سه اصل هستند که بیان می‌کنند (۱) سرعت یک جسم ثابت است مگر اینکه نیروی خالصی بر آن وارد شود، (۲) نیروی خالص وارد بر یک جسم برابر با نرخ زمانی تغییر تکانه خطی آن است، و (۳) هر نیروی عمل با یک نیروی عکس‌العمل برابر و مخالف بر جسم دیگر مطابقت دارد.

Scope

این موضوع شامل بیان، تفسیر، و کاربرد سه قانون نیوتن است: قانون اول که چارچوب‌های اینرسی و اینرسی را تعریف می‌کند، قانون دوم که نیروی خالص را به نرخ تغییر تکانه مرتبط می‌سازد، و قانون سوم نیروهای متقابل برابر و مخالف. این موضوع شامل تحلیل جسم آزاد، نقش جرم، و شرایطی است که قوانین تحت آن اعمال می‌شوند.

Core questions

• چه چیزی یک چارچوب مرجع اینرسی را تعریف می‌کند و چرا قانون اول آن را پیش‌فرض می‌گیرد؟
• قانون دوم چگونه نیرو، جرم، و شتاب را به هم مرتبط می‌کند؟
• چرا نیروهای متقابل همیشه باید به صورت جفت‌های برابر و مخالف باشند؟

Key concepts

• اینرسی و جرم اینرسی
• نیروی خالص و نمودارهای جسم آزاد
• چارچوب مرجع اینرسی
• جفت‌های عمل-عکس‌العمل
• معادله حرکت

Key theories

قانون اول (قانون اینرسی)

یک جسم در حالت سکون یا حرکت مستقیم یکنواخت باقی می‌ماند مگر اینکه نیروی خارجی خالصی بر آن وارد شود؛ این هم اینرسی را تعریف می‌کند و هم دسته‌ای از چارچوب‌های اینرسی را که قوانین در آن‌ها معتبر هستند، مشخص می‌کند.

قانون دوم (F = dp/dt)

نیروی خالص وارد بر یک جسم برابر با نرخ زمانی تغییر تکانه خطی آن است، که برای جرم ثابت به F = ma کاهش می‌یابد و معادله اصلی حرکت را فراهم می‌کند.

قانون سوم (عمل-عکس‌العمل)

هنگامی که یک جسم بر جسم دوم نیرویی وارد می‌کند، جسم دوم نیرویی برابر و در جهت مخالف بر جسم اول وارد می‌کند، که مبنای پایستگی تکانه برای سیستم‌های ایزوله است.

Clinical relevance

این سه قانون در سراسر تحلیل‌های استاتیک و دینامیک در مهندسی، از اندازه‌گیری تکیه‌گاه‌های سازه‌ای تا طراحی سیستم‌های رانش و واکنش وسایل نقلیه و موشک‌ها، کاربرد دارند و مدل کاری برای هر حرکتی در سرعت‌ها و مقیاس‌های روزمره باقی می‌مانند.

History

نیوتن سه قانون را به عنوان اصول موضوعه در آغاز کتاب «پرینسیپیا» در سال ۱۶۸۷ بیان کرد، که بر اساس اصل اینرسی گالیله و مفهوم دکارت از کمیت پایسته حرکت بنا شده بود. فرمول‌بندی دقیق آن‌ها بر حسب تکانه و تمایز چارچوب‌های اینرسی توسط نویسندگان بعدی دقیق‌تر شد، اما خود قوانین اساساً بدون تغییر به عنوان مبنای دینامیک کلاسیک باقی مانده‌اند.

Key figures

• Isaac Newton
• Galileo Galilei
• René Descartes

Seminal works

• newton1687
• taylor2005

Frequently asked questions

آیا قانون اول فقط یک حالت خاص از قانون دوم است؟

نه کاملاً. با نیروی خالص صفر، قانون دوم شتاب صفر را نتیجه می‌دهد که شبیه قانون اول به نظر می‌رسد، اما نقش عمیق‌تر قانون اول تأکید بر وجود چارچوب‌های اینرسی است که قانون دوم در آن‌ها معتبر است.

آیا نیروهای عمل و عکس‌العمل یکدیگر را خنثی می‌کنند؟

خیر. آن‌ها بر اجسام مختلفی اثر می‌کنند، بنابراین هرگز بر یک جسم واحد یکدیگر را خنثی نمی‌کنند؛ خنثی‌سازی تنها در صورتی رخ می‌دهد که هر دو نیرو بر یک شیء واحد اثر کنند.