داخل اتوبوس ایستادهاید و راننده ناگهان ترمز میکند. بدن شما بیاختیار به سمت جلو متمایل میشود. چند لحظه بعد اتوبوس از حالت سکون حرکت میکند و این بار حس میکنید بدنتان به عقب کشیده شده است. این دو اتفاق مثالهایی از مفهوم قانون اول نیوتن است که میگوید جسم تمایل دارد وضعیت حرکتی فعلی خودش را حفظ کند.
قانون اول نیوتن میگوید جسم ساکن، ساکن میماند و جسم متحرک با سرعت ثابت در مسیر مستقیم به حرکت خود ادامه میدهد، مگر اینکه یک نیروی خارجی وضعیت حرکت آن را تغییر دهد. به همین دلیل این قانون را قانون لختی یا قانون اینرسی هم مینامند.
قانون اول نیوتن به زبان ساده
تصور کنید توپ هاکی را روی زمین معمولی هل بدهید، کمی حرکت میکند و بعد متوقف میشود. شاید در نگاه اول نتیجه بگیریم که اجسام متحرک ذاتا دوست دارند بایستند اما دلیل توقف توپ وجود نیروهایی مثل اصطکاک است.
اگر اصطکاک کمتر شود توپ مدت بیشتری حرکت میکند و در یک مدل ایدهآل بدون اصطکاک و مقاومت هوا، جسم با سرعت ثابت در خط مستقیم به حرکت ادامه میدهد. با کاهش تماس و اصطکاک، حرکت جسم بسیار طولانیتر ادامه پیدا میکند. پس قانون اول نیوتن را میتوان با یک جمله کوتاه در ذهن نگه داشت:
اگر نیروی خالص صفر باشد، وضعیت حرکت جسم تغییر نمیکند.
تغییر نکردن وضعیت حرکت دو حالت دارد. جسمی که ساکن است همانجا ساکن میماند و جسمی که حرکت میکند سرعتش نه بیشتر میشود، نه کمتر و نه جهت حرکتش عوض میشود. در فیزیک ثابت ماندن سرعت برداری یعنی هم اندازه سرعت و هم جهت آن ثابت بماند.
قانون اول نیوتن: وقتی اتوبوس در حال حرکت است، بدن مسافر هم تمایل دارد حرکت خود را ادامه دهد. به همین دلیل وقتی راننده ناگهان ترمز میکند، مسافر به سمت جلو پرتاب میشود. شروع حرکتترمزشروع دوباره
اتوبوس هنوز حرکت نکرده است.
قانون اول نیوتن: وقتی اتوبوس در حال حرکت است، بدن مسافران نیز تمایل دارد حرکت خود را ادامه دهد. به همین دلیل وقتی اتوبوس ناگهان ترمز میکند، مسافران به سمت جلو حرکت میکنند.
اتوبوس هنوز حرکت نکرده است.
اولین نفری باشید که از اخبار و اطلاعیههای مرتبط با پایه تحصیلیتان باخبر میشود!
اینرسی یا لختی چیست؟
اینرسی یا لختی تمایل جسم به مقاومت در برابر تغییر وضعیت حرکت خود است. یعنی جسم ساکن در برابر به حرکت افتادن و جسم متحرک در برابر تغییر سرعت یا جهت حرکت مقاومت نشان میدهد. به همین دلیل نام دیگر قانون اول نیوتن قانون لختی است.
مقدار لختی با جرم ارتباط دارد؛ هرچه جرم جسم بیشتر باشد تغییر وضعیت حرکت آن دشوارتر است. هل دادن یک چرخدستی خالی و تغییر حرکت آن آسانتر از چرخدستی مشابهی است که با بار سنگین پر شده است.
اینرسی خودش یک نیروی جدید نیست. گاهی گفته میشود نیروی اینرسی جسم را نگه داشت اما در بیان مقدماتی قانون اول بهتر است بگوییم جسم به دلیل لختی، وضعیت حرکتی خود را حفظ میکند. برای تغییر آن وضعیت به برآیند نیروی خارجی نیاز داریم.
فرمول قانون اول نیوتن چیست؟
قانون اول نیوتن بیشتر یک اصل درباره حرکت است تا فرمول محاسباتی طولانی، اما میتوان آن را به صورت ریاضی چنین نوشت:
یعنی اگر مجموع برداری نیروهای خارجی وارد بر جسم صفر باشد، شتاب جسم صفر است و سرعت برداری آن تغییر نمیکند. سرعت ثابت میتواند صفر هم باشد بنابراین جسم ممکن است ساکن باشد یا با سرعت ثابت در یک خط مستقیم حرکت کند.
یک نکته امتحانی مهم برای دانشآموزان اینجا است؛ صفر بودن نیروی خالص الزاما به معنی ساکن بودن جسم نیست. جسمی که با سرعت ثابت حرکت میکند نیز میتواند برآیند نیروی صفر داشته باشد. این حالت را تعادل دینامیکی مینامند در حالی که جسم ساکن با نیروی خالص صفر در تعادل ایستا قرار دارد.
چند مثال از قانون اول نیوتن در زندگی روزمره
شاید بهترین راه یادگیری قانون اول نیوتن این باشد که چند ثانیه از فضای فرمولها بیرون بیاییم. این قانون تقریبا هر روز جلوی چشم ما اتفاق میافتد:
- ترمز ناگهانی خودرو: خودرو کند میشود اما بدن سرنشین تمایل دارد حرکت قبلی خود را ادامه دهد و به سمت جلو میرود. کمربند ایمنی نیروی لازم برای کاهش سرعت بدن را فراهم میکند.
- شروع ناگهانی اتوبوس: پیش از حرکت اتوبوس بدن شما نسبت به زمین ساکن است. اتوبوس به جلو شتاب میگیرد اما بدن تمایل دارد حالت قبلی را حفظ کند. به همین دلیل نسبت به اتوبوس حس میکنید به عقب متمایل شدهاید.
- کشیدن سریع رومیزی: اگر رومیزی با حرکت مناسب و سریع از زیر ظروف کشیده شود ظروف تمایل دارند وضعیت سکون خود را حفظ کنند. اصطکاک البته کاملا صفر نیست برای همین اجرای واقعی این آزمایش به شرایط سطح و نحوه کشیدن بستگی دارد.
- توپ روی سطح صاف: هرچه اصطکاک کمتر باشد توپ یا مهره مدت بیشتری به حرکت ادامه میدهد. توقف آن ناشی از نیروهایی مانند اصطکاک و مقاومت هواست نه اینکه جسم متحرک ذاتا نیاز داشته باشد متوقف شود.
این مثالها یک وجه مشترک دارند و آن هم این است که جسم در برابر تغییر سرعت برداری مقاومت میکند. این تغییر میتواند شروع حرکت، توقف، تندتر یا کندتر شدن و حتی عوض شدن جهت باشد.
چرا هنگام ترمز به جلو پرت میشویم؟
این مثال آنقدر برای قانون اول مهم است که ارزش دارد جداگانه بررسی شود. وقتی خودرو با سرعت مثلا ۶۰ کیلومتر بر ساعت در حال حرکت است بدن شما هم تقریبا با همان سرعت نسبت به زمین حرکت میکند. با فشردن ترمز، نیروی اصطکاک باعث کاهش سرعت خودرو میشود اما بدن شما نمیتواند بدون اعمال نیرو در همان لحظه سرعتش را تغییر دهد بنابراین تمایل دارد حرکت قبلی خود را ادامه دهد.
اینجا نقش کمربند ایمنی روشن میشود. کمربند نیرویی به بدن وارد میکند تا سرعت بدن نیز همراه خودرو کاهش پیدا کند. پس بدن واقعا نیرویی به جلو تولید نکرده است چیزی که میبینیم ادامه حرکت قبلی بدن و سپس اثر نیروی کمربند، صندلی یا اجزای خودرو برای تغییر آن حرکت است.
آیا جسم برای ادامه حرکت به نیرو نیاز دارد؟
این یکی از مهمترین برداشتهای اشتباه درباره حرکت است. تجربه میگوید اگر توپ را هل بدهیم پس از مدتی متوقف میشود؛ دوچرخه هم اگر رکاب نزنیم بالاخره سرعتش کم میشود. همین تجربه ممکن است این تصور را ایجاد کند که برای ادامه حرکت همیشه باید نیرویی رو به جلو وجود داشته باشد.
اما مشکل این است که روی زمین تقریبا همیشه اصطکاک و مقاومت هوا وجود دارند. وقتی خودرویی با سرعت ثابت در جاده حرکت میکند، نیروی محرک موتور صرفا حرکت را ایجاد نمیکند؛ بخشی از آن نیرو اثر نیروهای مقاوم را خنثی میکند.
اگر نیروهای افقی دقیقا متعادل باشند، برآیند صفر میشود و خودرو میتواند با سرعت ثابت حرکت کند. قانون اول نیوتن بنابراین حرف کمی خلاف شهود روزمره میزند: برای حفظ حرکت یکنواخت نیروی خالص لازم نیست؛ برای تغییر حرکت است که به نیروی خالص نیاز داریم.
نقش گالیله در شکلگیری قانون اول نیوتن
سالها پیش از نیوتن این تصور رایج بود که برای ادامه حرکت باید دائما نیرو به جسم وارد شود. گالیله به نقش اصطکاک توجه کرد و استدلال کرد اگر مقاومت حرکت کمتر و کمتر شود، جسم مسافت بیشتری را طی میکند؛ در حالت آرمانی بدون اصطکاک، دلیلی برای توقف خودبهخودی جسم وجود ندارد.
گالیله برای بررسی حرکت از آزمایشهای سطح شیبدار نیز استفاده کرد. او با حرکت توپ روی سطح شیبدار رابطه زمان و مسافت را مطالعه میکرد؛ چنین آزمایشهایی بخشی از مسیر تاریخی تغییر نگاه انسان به حرکت بودند.
نیوتن سه قانون حرکت خود را در اثر معروف Principia که در سال ۱۶۸۷ منتشر شد ارائه کرد. قانون اول در واقع بسیاری از ایدههای پیشین درباره حرکت را در قالبی روشنتر و عمومیتر بیان کرد.
آزمایش ساده قانون اول نیوتن
برای دیدن اینرسی لازم نیست آزمایشگاه مجهزی داشته باشید. یک لیوان، کارت نسبتا سفت و سکه کافی است. لیوان را روی میز قرار دهید، کارت را روی دهانه آن بگذارید و سکه را روی کارت قرار دهید. سپس کارت را با یک ضربه سریع و تقریبا افقی کنار بزنید؛ در اجرای مناسب، کارت حرکت میکند اما سکه تمایل دارد حالت سکون خود را حفظ کند و درون لیوان میافتد.
تحلیل آزمایش از خود اجرای آن مهمتر است. پیش از ضربه سکه ساکن است و نیروی افقی واردشده از کارت برای مدت کوتاهی اثر میکند و اگر کارت سریع کنار برود، سکه تغییر افقی زیادی در حرکتش نمیدهد، سپس نیروی گرانش آن را به پایین میکشد.
نیروی خالص چه ارتباطی با قانون اول نیوتن دارد؟
فرض کنید دو نفر طنابی را در جهت مخالف میکشند و هر کدام 100 نیوتن نیرو وارد میکنند. اگر جهت راست را مثبت بگیریم، میتوانیم بنویسیم:
دو نیرو وجود دارند اما برآیندشان صفر است. اگر طناب در ابتدا ساکن باشد و شرایط دیگر نیز متعادل باشند، شتاب نمیگیرد.
همین مورد در یک کتاب روی میز هم دیده میشود. زمین کتاب را با نیروی گرانش به پایین میکشد و میز نیروی تکیهگاه رو به بالا وارد میکند. اگر این نیروها در راستای عمودی متعادل باشند کتاب شتاب عمودی ندارد بنابراین چند نیرو وارد میشود و نیروی خالص صفر است هیچ تناقضی با هم ندارند.
جرم چه اثری بر اینرسی دارد؟
یک توپ فوتبال و یک خودروی سنگین را تصور کنید. تغییر دادن سرعت توپ با نیروی نسبتا کمی امکانپذیر است اما تغییر وضعیت حرکت خودرو بسیار دشوارتر خواهد بود. علت این تفاوت به جرم و اینرسی مربوط میشود هرچه جرم بیشتر باشد مقاومت جسم در برابر تغییر حرکت نیز بیشتر است.
به همین دلیل نباید اینرسی را با سرعت اشتباه گرفت. یک کامیون ساکن نیز اینرسی زیادی دارد؛ اینرسی فقط درباره جسم متحرک نیست. جسم ساکن هم در برابر تغییر وضعیت خودش مقاومت نشان میدهد.
قانون اول، دوم و سوم نیوتن چه تفاوتی دارند؟
سه قانون حرکت نیوتن به هم مرتبطاند، ولی یک چیز را نمیگویند:
| قانون | ایده اصلی |
| قانون اول نیوتن | اگر نیروی خالص صفر باشد، سرعت برداری جسم ثابت میماند. |
| قانون دوم نیوتن | نیروی خالص باعث شتاب میشود و رابطه آن با جرم و شتاب با F = ma بیان میشود. |
| قانون سوم نیوتن | نیروهای متقابل میان دو جسم به صورت جفتهای برابر و خلافجهت ظاهر میشوند. |
قانون اول درباره حفظ وضعیت حرکت، قانون دوم درباره رابطه نیرو، جرم و شتاب و قانون سوم درباره نیروهای متقابل دو جسم است.
قانون اول میپرسد اگر برآیند نیرو صفر باشد چه میشود؟ قانون دوم میپرسد اگر برآیند صفر نباشد چه میشود؟ و قانون سوم رابطه نیروهای دو جسم با یکدیگر را بررسی میکند.
قانون اول نیوتن در علوم نهم
در آموزش مدرسهای قانون اول نیوتن معمولا همراه مفاهیمی مثل نیرو، برآیند نیروها و لختی بررسی میشود. منابع رسمی کتابهای درسی ایران نیز آن را قانون لختی معرفی کردهاند و بیان میکنند که با صفر بودن مجموع نیروهای وارد بر جسم، جسم ساکن در حالت سکون باقی میماند و جسم متحرک حرکت یکنواخت مستقیم خود را حفظ میکند. برای جوابی که در امتحان این قانون در علوم نهم میتوانید بنویسید این است:
هرگاه برآیند نیروهای وارد بر جسم صفر باشد، اگر جسم ساکن باشد ساکن باقی میماند و اگر در حال حرکت باشد با سرعت ثابت در خط مستقیم به حرکت خود ادامه میدهد.
اگر سؤال درباره نام دیگر آن باشد پاسخ قانون لختی یا اینرسی است.
نمونه سوالات امتحانی قانون اول نیوتن
۱. خودرویی با سرعت ثابت در مسیر مستقیم حرکت میکند. آیا نیروی خالص وارد بر آن حتما رو به جلو است؟
خیر اگر سرعت برداری واقعا ثابت باشد، شتاب صفر است و طبق قانون اول، برآیند نیروهای خارجی نیز صفر است. نیروهایی ممکن است وجود داشته باشند اما یکدیگر را متعادل میکنند.
۲. چرا با ترمز ناگهانی اتوبوس بدن مسافر به جلو متمایل میشود؟
چون بدن طبق خاصیت لختی تمایل دارد حرکت قبلی خود را ادامه دهد؛ خودرو سرعتش کم میشود اما برای کاهش سرعت بدن نیز باید نیرو به آن وارد شود.
۳. جسمی ساکن است. آیا میتوان نتیجه گرفت هیچ نیرویی به آن وارد نمیشود؟
خیر ممکن است چند نیرو به جسم وارد شوند ولی مجموع برداری آنها صفر باشد. جسم ساکن روی میز نمونه سادهای از چنین وضعیتی است.
۴. اگر نیروی خالص وارد بر یک جسم صفر باشد شتاب آن چقدر است؟
شتاب صفر است و سرعت برداری تغییر نمیکند.
۵. کدام جسم اینرسی بیشتری دارد؛ جسم ۲ کیلوگرمی یا جسم 20 کیلوگرمی؟
اگر فقط جرم را مقایسه کنیم جسم 20 کیلوگرمی اینرسی بیشتری دارد؛ چون اینرسی با جرم ارتباط مستقیم دارد.
نتیجهگیری
آیا برآیند نیروهای خارجی صفر است؟ اگر پاسخ مثبت باشد، جسم شتاب نمیگیرد؛ جسم ساکن ساکن میماند و جسم متحرک با سرعت ثابت و در خط مستقیم به حرکت ادامه میدهد. این همان قانون اول نیوتن یا قانون لختی است.
و اگر هنوز مفهوم کمی گنگ به نظر میرسد، دفعه بعد که اتوبوس ناگهان ترمز کرد به حرکت بدنتان توجه کنید. احتمالا تعریف قانون را همان لحظه بهتر از یک صفحه فرمول به خاطر خواهید آورد.
سوالات متداول
قانون اول نیوتن میگوید جسم ساکن در حالت سکون و جسم متحرک در حرکت یکنواخت مستقیم باقی میماند، مگر آنکه یک نیروی خالص خارجی وضعیت حرکت آن را تغییر دهد.
به آن قانون لختی یا قانون اینرسی میگویند، چون بر تمایل اجسام به حفظ وضعیت حرکتشان استوار است.
در مدل ایدهآل و در نبود نیروی خالص، خیر جسم با سرعت ثابت در خط مستقیم به حرکت ادامه میدهد. اجسام روی زمین معمولا به دلیل اصطکاک و مقاومت هوا کند میشوند.
اینرسی یا لختی خاصیتی است که باعث میشود جسم در برابر تغییر وضعیت حرکت خود مقاومت کند. هرچه جرم جسم بیشتر باشد اینرسی آن نیز بیشتر است.
این قانون برای تحلیل حرکت و تعادل اجسام، رفتار سرنشین خودرو هنگام ترمز یا شتاب گرفتن، حرکت اجسام با اصطکاک کم و بسیاری از مسائل پایه مکانیک استفاده میشود.
