بخشی از مقاله
مقدمه ....
كميتهاي فيزيكي ... سنگ بناي علم فيزيك كميتهاي فيزيكي است كه ما براي بيان قوانين فيزيك از آنها استفاده مي كنيم از جمله مي‌توان از طول، جرم، زمان، نيرو، سرعت و چگالي، مقاومت و شدت ميدان مغناطيسي نام برد. بسياري از اين واژه‌ها مانند طول و نيرو در گفتگوهاي روزمره نيز بكار مي‌روند. مثلاً ممكن است گفتهشود: « من اينكار را هر قدر هم طول بكشد، بخاطر شما با تمام نيرو انجام مي‌دهم». ولي در فيزيك بايد واژه‌هاي به كميتهاي فيزيكي، مانند
نيرو و طول را با وضوح و دقت تعريف كنيم و آنها را با مفاهيم روزمره اشتباه نگيريم. در مثال بالا معاني واژه‌هاي طول و نيرو هيچ ربطي به تعريف دقيق و علمي اين كميت ندارد. يك كميت فيزيكي (مانندجرم) را موقعي تعريف شده مي‌دانيم كه روشها يا دستورالعملهايي براي اندازه‌گيري آن بيان كرده و يكايي (مانند
كيلوگرم) به آن نسبت داده باشيم. يعني، در واقع يك استاندار براي آن تعريف بكنيم. نكته مهم تعريف اين كميت با يك روش مفيد و عملي و پذيرفته شدن آن درسطح بين‌المللي است. تعداد كميتهاي فيزيكي آنقدر زياد است كه مرتب كردن آنها خود مسئله اصلي و مشكل است. اين كميتها از هم مستقل نيستند. بعنوان مثال سرعت برابر نسبت طول به زمان است
كاري كه بايد بكنيم اينست كه ا زميان تمام كميتهاي فيزيكي ممكن چند كميت مشخص را انتخاب كنيم. و آنها را كميتهاي اصلي نباميم. بقيه كميتها را از اين كميتهاي اصلي بدست مي‌آوريم. آنگاه براي هر يك از اين كميهاي اصلي استانداردي در نظر مي‌گيريم. بعنوان مثال، اگر طول را كميت اصلي انتخاب كنيم، متر را بعنوان استاندارد آن در نظر مي‌گيريم و آن را با عمليات دقيق آزمايشگاهي تعريف مي كنيم.
1- قانون جاذبه نيوتون
نيرويي كه خط عمل آن را يك نقطه منفرد يا مركز عبور كند نيروي مركزي گويند. اگر مقدار نيرو فقط بستگي به فاصله از مركز داشته باشد و تابع جهت نباشد، نيرو را همگن مي‌نامند. نيروهاي مركزي از مباني مهم فيزيك هستند، زيرا نيروهايي از قبيل نيروهاي جاذبه‌اي، نيروهاي الكترواستاتيكي و غيره در اين گروه قرار دارند. نيروهاي عكس‌العملي نيز ذرات بنيادي طبيعت، اساساً ازنوع نيروهاي مركزي هستند. در حالتي ه دو ذره وجود داشته باشد، هر ذره بصورت يك مركز نيرو براي ذره ديگر عمل خواهد كرد.
جاذبه ....
نيوتون در سال 1666 قانون جاذبه عمومي را بيان كرد. اغراق آميز نيست اگر بيان اين قانون را شروع اخترشناسي جديد بدانيم زيرا قانون جاذبه در مورد حركت سيارات منظومه شمسي، ماهواره‌هاي آنها ستارگان مضاعف و دوتايي و حتي سيستم‌‌هاي ستاره‌اي صادق است اين قانون را مي‌توان چنين بيان كرد.
«هر ذره در جهان، هر ذره ديگر را با نيرويي جذب مي‌كند كه با حاصلضرب جرم آن دو ذره نسبت مستقيم با مجذور فاصله بين آنها نسبت معكوس دارد. اين نيرو در امتداد خط راست واصل بين دو ذره است.»
اين قانون را از لحاظ برداري مي‌توان چنين نوشت :
FijS نيروي وارد شده توسط ذره j به جرم mj بر ذره، به جرم mi است همانطور كه در شكل نشان داده شدهاست بردار rij بر روي قطعه خط واصل بين دو ذره و در جهت حركت از I به j است. قانون عكس العمل ايجاب مي‌كند كه Fij= Fji باشد، ثابت تناسب G را ثابت جهاني جاذبه مي‌نامند. مقدار اين ثابت را با انجام آزمايشهاي دقيق در آزمايشگاه و اندازه‌گيري نيروي بين دو جسم با جرمهاي مشخص بدست آورده‌اند. مقدار بين‌المللي پذيرفته شده اين ثابت در سيستم SI عبارت است از :
G= (6.672± 0.004)× 1011 Nm2kg-2
در حال حاضر تمام دانش ما درباره جرمهاي اجسام نجومي (از جمله زمين) بر مبناي مقدار اين ثابت بنيادي است:
قانون اول نيوتون درباره حركت...
سوال؟ ... آيا نخستين باري كه قرص يخ خشك يا وسيله تقريب بي‌اصطكاك ديگري مي‌ديديد تعجب نكرديد؟
آيا بياد داريد كه با كوچكترين تلنگري كه به آن مي زديد چه طور صاف و يكنواخت سر مي خورد؟ چطور بود كه هيچ علامتي از كند شدن يا تند شدن نشان نمي داد؟ تجربه روزمره بما مي‌گويد كه براي آنكه حركت يك جسم ادامه پيدا كند، پيوسته نيرو لازم است. اما قرص يخ خشك از برآوردن انتظارات ارسطويي سرباز مي‌زند، و برخورد با اين امر براي نخستين بار هميشه تعجب آور است. با اين همه، قرص يخ خشك كاملاً طبيعي عمل مي‌كند. اگر نيروهاي اصطكاك وجود
نمي‌داشتند، يك ضربه آرام موجب مي‌شد كه ميزها و صندلي‌ها نيز همچون قرص يخ خشك از جاي خود حركت كنند وبركف اتاق سر بخورند. قانون اول نيوتن مستقيماً با انديشه ارسطويي درباره «طبيعي» بودن به ستيز برمي‌خيزد اين قانون اعلام مي‌كند كه حالت سكون و حالت بي شتاب حركت يكنواخت در يك خط مستقيم هر دو بطور برابر طبيعي هستند. فقط وجود بعضي از نيروها مثلاً اصطكاك جسم را از حركت دائمي باز مي‌دارد. قانون اول نيوتن درباره حركت را مي‌توان
با اصطلاحهاي امروزي بصورت زيربيان كرد: هر جسم به حالت سكون يا در حال حركت مستقيم الخط يكنواخت باقي مي‌ماند مگر آنكه نيروي بي‌توازني بر آن وارد آيد. به عكس اگر جسمي در حالت سكون يا درحال حركت مستقيم الخط يكنواخت باشد نيروي بي‌توازني موثر بر آن برابر صفر است. براي آن كه حركت يك
جسم را بفهميم، بايد تمام نيروهاي موثر بر‌آن را به حساب آوريم. اگر همه نيروها از جمله اصطكاك در حال موازنه باشند جسم با سرعت ثابت V حركت خواهد كرد. گرچه نيوتون نخستين كسي بود كه اين انديشه را بصورت قانون كلي بيان كرد گاليله پنجاه سال پيش از او بينات مشابهي اظهار كرده بود. البته گاليله و نيوتن قرصهاي يخ خشك در اختيار نداشتند وبنابرين نمي‌توانسته‌اند حركتي رامشاهده كرده باشند كه اصطكاك در آنها بطور قابل ملاحظه اي كاهش يافته باشد. اما گاليله آزمايشي فكري ابداع كرده بود، كه در آن اصطكاك صفر تصور مي‌شد.
جاي شكل
اين آزمايش فكري بر مبناي يك مشاهده واقعي بود هرگاه گلوله آونگي را كه به انتهاي نخي بسته شده بود عقب بكشيم و آن را از حالت سكون رها كنيم، در طول يك قوس نوسان مي‌كند و تقريباً تا همان ارتفاع آغاز حركت خود بالا مي‌رود. در واقع همچنان كه گاليله نشان داد گلوله آونگ تقريباً با سطح اوليه بالا
مي‌رود، حتي اگر با يك گل ميخ مسير آن تغيير داده شود از اين مشاهده بود كه گاليله آزمايش فكري خود را به وجود آورد. او پيشگويي كرد كه هرگاه گلوله‌اي از ارتفاعي بر يك سرازيري بدون اصطكاك رها شود، مي‌غلتد و از سربالايي مقابل بالا مي‌رود و صرف نظر از طول بهمان ارتفاع مي‌رسد مثلاً در نمودار پايين چنانچه سربالايي طرف راست از وضع الف به وضع ب و سپس به وضع پ تغيير كند گلوله در هر مرحله جلوتر مي رود تا به ارتفاع اصلي برسد. هر چه زاويه شيب كمتر شود حركت گلوله به تدريج كندتر مي شود. اگر سرازيري دوم چنانچه ذرات، ديده مي‌شود كاملاً مسطح شود گلوله هرگز بر اين سح بي‌اصطكاك در يك خط
مستقيم و با يك سرعت نامتغير براي هميشه خواهد غلتيد اين نتيجه‌گيري را با قانون اول نيوتن مي‌توان يكي دانست. در واقع بعضي از نويسندگان تاريخ علوم، گاليله را كاشف قانون اول مي‌دانند. اما بعضي ديگر عقيده دارند كه درانديشه گاليله "براي هميشه غلتيدن به معني قرار گرفتن در يك ارتفاع ثابت بالاي زمين" بوده است و به معني «حركت در يك خط راست در فضا» نبوده است. اين گرايش را كه اشياء به حفظ حالت سكون يا حالت حركت يكنواخت خود دارند، گاهي "اصل اينرس" مي‌نامند.
بهمين سبب گاهي به قانون اول نيوتن قانون اينرسي گفته مي‌شود. اينرسي خاصيتي از تمام اشياست. مي‌توان گفت اجسام مادي، در ارتباط با حالت حركت خود نوعي سرسختي نشان مي‌دهند هنگامي كه در حال حركت هستند بدون تغيير تندي (بدون تغيير سرعت و جهت) به حركت خود ادامه مي‌دهند. مگر آنكه مجبور شوند و بر اثر نوعي نيروي خارجي به گونه‌اي ديگر عمل كنندوهنگاميكه در حالت سكون هستند حالت خود را حفظ مي‌كنند بهمين سبب است كه
كمربند ايمني بهنگام توقف سريع اتومبيل مفيد واقع مي شود و نيز بهمين سبب است كه اتومبيل در يك جاده يخي، سر پيچ نمي‌تواند دور بزند بلكه در مسيري مستقيم‌تر مي‌افتد كه احتمالاً به مزرعه يا پرچين مزرعه ختم مي‌شود و هز چه اينرسي جسمي بيشتر باشد مقاومت آن براي تغيير درحالت حركتي كه دارد بيشتر است. و از اين رو نيروي بزرگتري براي ايجاد يك تغير مطلوب در حالت حركت آن لازم است.بهمين سبب هم، متوقف كردن آنها دشوار است. هرگاه وسايل
نقليه مذكور ناگهان ترمز كنند، مسافران وباروبه آنان حركت خود به سمت جلو را حفظ مي‌كنند. قانون اول نيوتون بما مي‌گويد كه اگر ببينيم جسمي با سرعت ثابت در يك خط مستقيم درحركت است بي‌درنگ مي‌فهميم كه نيروهاي وارد بر آن بايد در حالت توازن باشند يعني آن جسم در حالت تعادل است. آيا اين بدان معني است كه در فيزيك نيوتوني حالت سكون وحالت حركت يكنواخت هم ارزند؟ در حقيقت همين طور است. وقتيكه مي‌گوييم جسمي در حالت تعادل است، فقط مي‌دانيم كه V ثابت است صفر بودن يا نبودن مقدار اين ثابت درهر مورد بستگي به اين دارد كه كدام جسم را به عنوان مرجع اندازه‌گيري بزرگي V انتخاب كرده باشيم.ما فقط با ارجاع به جسمي ديگر مي‌توانيم بگوييم كه جسم مورد نظر ما در حالت سكون است يا با تندي v ثابت بزرگتر از صفر در حال حركت است.
اهميت قانون اول ...
قوانين نيوتون مفاهيم فلسفي عميقي را دربردارند. با اين همه مي‌توانيم اين قوانين را به آساني بكار ببريم و اهميت قانون اول نيوتون را حتي بدون توجه به تمام اينگونه ريزه‌كاريها دريابيم. براي سهولت كار، پيشنهاد مهمي را كه از قانون اول حاصل مي‌شود فهرست وار بيان مي‌كنيم:
1-قانون اول، شكست فيزيك ارسطويي را اعلام مي‌كند. حركت «طبيعي» حركتي كه نياز به توضيح بيشتر ندارد، بازگشت به وضعيت آرامش درمكان مناسب نيست بلكه حركتي است كه با تندي يكنواخت روي دهد.
2- قانون اول، انديشه اينرسي را مطرح مي كند كه بر اساس آن تمايل بنيادي همه اجسام است كه حالت سكون يا حالت حركت يكنواخت خود راحفظ كنند.
3- قانون اول مي‌گويد كه از نقطه نظر فيزيك، حالت سكون با حالت حركت يكنواخت در راستاي مستقيم و هر سرعتي كه داشته باشد هم ارز است. در مورد هيچيك از اين دو حالت سكون يا حركت يكنواخت چيزي «مطلق» يا خصوصاً متمايز وجود ندارد از اين رو، براي توصيف حركت، نياز به تعيين يك «چهارچوب مرجع» پديد مي‌آيد، زيرا جسمي كه نسبت به يك ناظر، يا يك چارچوب مرجع ساكن است، ممكن است نسبت به ناظر يا چهارچوب مرجع ديگري در حركت باشد.
4- قانون اول، ماند قوانين فيزيكي ديگر قانوني جهاني است و مدعي است كه براي اجسام در همه جاي جهان صادق است يعني همان قانوني كه بر روي زمين بكار مي‌آيد در ماه، در سراسر كهكشان و در ماوراي آن نيز صادق است. و همين قانون درباره حركت اتمها، مغناطيس، توپ تنيس و ستارگان و همه چيز ديگر صادق است.
5- قانون اول رفتار اجسام را بهنگام كه هيچ نيروي بي‌توازني بر آنها وارد نمي‌آيد بيان مي‌كند. از اين رو زمنيه را براي طرح اين پرسش آماده مي‌كند كه :« هرگاه
نيروي بي‌توازني بر جسم وارد آيد، دقيقاً چه روي مي‌دهد؟
قانون دوم نيوتون درباره حركت ...
يك تئوري ديناميكي بايد حالت سكون، حركت يكنواخت و شتاب را توجيه كند. تا اينجا دو منظور ما برآورده شده است. توضيح سكون وحركت يكنواخت. برحسب قانون اول، حالتهاي سكون و حركت يكنواخت هم ارزند. قانون دوم نيوتن پاسخ به اين پرسش را فراهم مي‌كند: هرگاه نيروي بي‌توازني بر جسمي وارد شود چه روي خواهد داد؟ چون نيرو را علت حركت مي دانيم، اين قانون، قانون اساسي ديناميك است. بطور كيفي، قانون دوم درباره حركت اندكي بيشتر از اين تعريف
است:علت لازم و كافي براي انحراف از حركت «طبيعي» (يعني حركتي با تندي ثابت يا صفر) آن است كه نيروي موثر و غير صفري بر جسم وارد شود. ولي قانون از اين هم بيشتر مي‌رود و رابطه كمي ساده‌اي ميان تغيير در حالت حركت و نيروي موثر بدست مي‌دهد. براي آنكه معني قانون تا آنجا كه ممكن است روشن‌تر شود نخست وضعيتي را در نظر مي‌گيريم كه در آن نيروهاي متفاوت بر يك جسم اثر مي‌كنند. پس از آن، وضعيتي را در نظر مي‌گيريم كه نيرويي يكسان بر اجسام متفاوت اثر مي‌كند. سرانجام با تركيب اين نتايج، رابطه‌اي كلي بدست مي‌آوريم.
