قانون رد الفعل الثالث لنيوتن Newton’s third reaction law
كما هو واضح ومعروف في قانون نيوتن الثالث لحركة الميكانيكة الكلاسيكية، تحدث جميع القوى بأشكال مزدوجة بحيث إذا كان جسم ما يمارس قوة على جسم آخر، فإن الجسم الثاني يمارس قوة رد فعل متساوية ومعاكسة على الأول, أو لكل فعل رد فعل مساوي له بالمقدار ومعاكس له بالإتجاه [1] [2]. وينص القانون الثالث بشكل أعم أيضًا على أنه: “لكل فعل هناك دائمًا معارضة لرد فعل متساوٍ: أو أن الأفعال المتبادلة بين هيئتين على بعضهما دائمًا متساوية ، وموجهة إلى أجزاء متناقضة” [3]. إسنادها من القوتين هو العمل وهو رد فعل تعسفي. يمكن اعتبار أي من الاثنين هو الإجراء، في حين أن الآخر هو رد فعله المرتبط به.
قوة رد فعل الأرض Ground reaction force
في علم الفيزياء، وخاصة في الميكانيكا الحيوية، قوة رد الفعل الأرضية (GRF) هي القوة التي تمارسها الأرض على ذلك الجسم الذي يتصل على سطحها [4], على سبيل المثال، الشخص الذي يقف بلا حراك على سطح الأرض يمارس قوة اتصال عليها (تساوي وزن الشخص) وفي نفس الوقت تمارس قوة رد فعل أرضية متساوية ومعاكسة على الأرض على ذلك الشخص. في المثال أعلاه، تتزامن قوة التفاعل الأرضي مع مفهوم القوة الطبيعية. ومع ذلك، في حالة أكثر عمومية، سيكون لـ GRF أيضًا عنصر موازٍ للأرض، على سبيل المثال عندما يمشي الشخص وهي حركة تتطلب تبادل القوى الأفقية (الاحتكاكية) مع الأرض [5], إذ أن مكون GRF الموازي للسطح هو قوة الاحتكاك. عندما يحدث الانزلاق، فإن نسبة حجم قوة الاحتكاك إلى القوة العادية تنتج معامل الاحتكاك الساكن [6].
التفاعل مع الأرض Interaction with ground
عندما يمارس شيء ما قوة على سطح الأرض كالمشي أو الجري أو الوثب، ستدفع الأرض بقوة متساوية كمحصلة للقوتين الأفقية والعمودية في الاتجاه المعاكس. في مجالات معينة من الفيزياء التطبيقية، مثل الميكانيكا الحيوية، تسمى هذه القوة عن طريق الأرض “قوة رد فعل الأرض”: ويُنظر إلى قوة جذب كتلة الجسم على الأرض على أنها “فعل”.
عندما يريد شخص ما القفز، يمارس قوة هابطة إضافية على الأرض (“الحركة”). في الوقت نفسه، تمارس الأرض قوة معاكسة صاعدة على جسم ذلك الشخص (“كرد الفعل”). إذا كانت هذه القوة الصاعدة أكبر من وزن الشخص، فسيؤدي ذلك إلى تسارع صاعد لكتلة الجسم, وعندما تكون هذه القوى متعامدة على سطح الأرض، تسمى أيضًا قوة إعتيادية[6].
أمثلة على قوى رد الفعل الحركية Examples of kinetic reaction forces
تحاول حركة العجلات الدوارة للسيارة الانزلاق للخلف فوق سطح الأرض, إذا لم تكن الأرض زلقة للغاية سوف ينتج عن هذا زوج من قوى الاحتكاك: “الحركة” بواسطة العجلات على سطح الأرض في الاتجاه الخلفي، و “رد الفعل” من الأرض على العجلة في الاتجاه الأمامي, وهذه القوة الأمامية سوف تدفع السيارة وتحركها للأمام. ولزيادة قدرة الإحتكاك مع الأسطح الهشة (كالرمال, الثلوج, الأطيان) تستخدم المركبات ذات الدفع الرباعي نوع خاص من الإطارات التي تزيد من تلك القدرة الإحتكاكية.
حركة القارب عكس إتجاه قوة الدفع The boat movement is against the thrust direction
ومن الأمثلة المستخدمة في رد فعل الحركي المعاكس هو عندما يقف الشخص في قارب صغير ويحاول القفز أماماً خارج القارب, سوف يتحرك القارب بعكس إتجاه الوثب كرد فعل قوة الدفع بالرجلين ولعدم وجود إحتكاك من سطح الماء كما على سطح الأرض.
الكتلة المدعومة Supported mass
أي كتلة للجسم على سطح الأرض تسحبها قوة الجاذبية الأرضية, وتسمى هذه القوة أيضًا وزنها. ورد الفعل المقابل هو قوة الجاذبية التي تمارسها الكتلة على الكوكب. إذا كان الجسم مدعومًا بحيث يظل في حالة استراحة وسكون، على سبيل المثال بواسطة كبل معلقة منه، أو بواسطة سطح تحته، أو بواسطة سائل يطفو عليه، فهناك أيضًا قوة دعم في الاتجاه التصاعدي (شد قوة، قوة عادية، قوة طفو على التوالي). قوة الدعم هذه هي قوة “متساوية ومعاكسة”: نحن نعرف ذلك ليس بسبب قانون نيوتن الثالث فقط، ولكن لأن الجسم لا يزال في حالة راحة وسكون، بحيث يجب أن تكون القوى عليه متوازنة.
ولقوة الدعم هذه يوجد أيضًا “رد فعل”: يسحب الجسم لأسفل على الكبل الداعم، أو يدفع لأسفل على السطح الداعم أو السائل. في هذه الحالة، هناك أربع قوى متساوية الحجم:
F1= قوة الجاذبية عن طريق الأرض على الشيء (لأسفل)
F2= قوة الجاذبية بواسطة جسم على الأرض (إلى أعلى)
F3= القوة بالدعم على الشيء (لأعلى)
F4= القوة حسب الكائن على الدعم (لأسفل)
القوى: F1 و F2 متساوية بسبب قانون نيوتن الثالث: وينطبق الشيء نفسه على القوى F3 و F4. القوى F1 و F3 متساوية إذا وفقط إذا كان الجسم في حالة توازن، ولم يتم تطبيق أي قوى أخرى (هذا لا علاقة له بقانون نيوتن الثالث).
ملاحظة: هناك خطأ شائع آخر هو أن نقول أن “قوة الطرد المركزي التي يمر بها الجسم هي رد فعل القوة المركزية على هذا الجسم”. كما هناك خطأ شائع آخر بان ننسب قوة رد فعل الأرض إلى فعل الجاذبية كتلة الجسم وبدون تأثيرها الفعلي على سطح الأرض[7].
References
1) Taylor, John R. (2005). Classical Mechanics. University Science Books. pp. 17–18. ISBN 9781891389221.
2) Shapiro, Ilya L.; de Berredo-Peixoto, Guilherme (2013). Lecture Notes on Newtonian Mechanics: Lessons from Modern Concepts. Springer Science & Business Media. p. 116. ISBN 978-1461478256. Retrieved 28 September 2016.
3) This translation of the third law and the commentary following it can be found in the “Principia” on page 20 of volume 1 of the 1729 translation.
4) “ground reaction force”. Oxford Dictionary of Sports Science & Medicine, by Answers.com. Retrieved 2011-02-26.
5) “Ground Reaction Force”. Health Sciences Center, University of Oklahoma. 2002-04-03. Archived from the original on 2015-11-13. Retrieved 2009-02-24.
6) Hyper Physics, http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/frict2.html.
7) Adair, Aaron (2013), Student Misconceptions about Newtonian Mechanics: Origins and Solutions through Changes to Instruction, This was attacked by Newton who tried to have the centripetal force on the planets (from gravitational interactions) be matched by the centrifugal force so there would be a balance of forces based on his third law of motion.
اعداد وتقديم: أ.د. اثير محمد صبري الجميلي
