قانون سوم نیوتن| قانون کنش و واکنش و تأثیر آن در زندگی روزمره
مقدمه
نیوتن ۳ قانون برای حرکت در فیزیک مطرح کرده است. قانون سوم نیوتن بیان میکند که برای هر عملی، یک واکنش برابر و در خلاف جهت آن وجود دارد. این قانون و البته دو قانون دیگر نیوتن را میتوانیم در جایجای زندگی روزمره خود مشاهده کنیم. حتی خودمان نیز در جریان این اصل قرار میگیریم و آن را اجرا میکنیم. در این مقاله میخواهیم قانون سوم نیوتن را شرح دهیم و کاربردهای آن را در زندگی، صنعت، ورزش و… بررسی کنیم. با ادامه این مطلب ما را همراهی کنید.
قانون سوم نیوتن چیست؟
قانون سوم نیوتن که به قانون کنش و واکنش نیز معروف است، بیان میکند که هرگاه جسمی نیرویی به جسم دیگر وارد کند (کنش)، جسم دوم نیز نیرویی هماندازه ولی در جهت مخالف به جسم اول وارد خواهد کرد (واکنش). در واقع این قانون میگوید که هر عملی، عکسالعملی دارد.
این امر به این معناست که نیروها همیشه به صورت جفت وجود دارند و هرگز یک نیروی تنها در طبیعت یافت نمیشود. هر نیرویی که مشاهده شود، حتماً نیروی دیگری با همان اندازه و در جهت مخالف آن وجود دارد. این جفت نیروها به عنوان نیروهای کنش و واکنش شناخته میشوند. برای مثال، اگر جسم A نیرویی به جسم B وارد کند، جسم B نیرویی مخالف اما مساوی به جسم A وارد خواهد کرد.
این اصل تضمین میکند که نیروها همیشه بین دو جسم در حال تعامل، یکدیگر را متعادل میکنند. مثال دیگر وقتی است که روی یک صندلی مینشینید. بدن شما نیرویی رو به پایین به صندلی وارد میکند و همزمان، صندلی نیرویی رو به بالا به بدن شما وارد میکند. این قانون به طور جهانی برای همه اجسام، صرفنظر از جنس یا شکل آنها، وجود دارد.
نیروی کنش و واکنش
کنش و واکنش دو اصطلاح مهم این قانون هستند:
- نیروی کنش: نیروی خارجی اولیهای که بر جسم وارد میشود، نیروی کنش نامیده میشود.
- نیروی واکنش: نیرویی که جسم برای پاسخ به نیروی فعال در جهت مخالف اعمال میکند، نیروی واکنش نامیده میشود.
با توجه به این دو مورد، اگر:
بین دو جسم (A و B) برهمکنشی وجود داشته باشد، نیروی FAB (نیروی اعمال شده توسط جسم B بر جسم A) برابر با نیروی FBA (نیروی اعمال شده توسط جسم A بر جسم B) است، اما جهت آنها مخالف یکدیگر است.
فرض کنید، وقتی مردی به دیواری فشار وارد میکند، نیرویی که او به دیوار وارد میکند (FAB) از نظر بزرگی برابر اما جهت آن مخالف نیرویی است که دیوار به او وارد میکند (FBA). هر دو نیرو به طور همزمان عمل میکنند، اما نیروی دیوار، مرد را به عقب هل میدهد، در حالی که مرد به جلو فشار میآورد.
*نکته: کنش و واکنش همیشه به طور همزمان رخ میدهند و همیشه به صورت جفت هستند.
تفاوت بین نیروی کنش و واکنش
در این بخش چند مثال میآوریم تا بتوانید تفاوت این دو را بهتر درک کنید:
- مثال ۱: شلیک گلوله از تفنگ
وقتی گلولهای از تفنگ شلیک میشود، تفنگ نیرویی به اندازه «F» به گلوله وارد میکند که میتوان آن را نیروی کنش (action force) در نظر گرفت، در همین حین گلوله نیز همان نیرو را به تفنگ وارد میکند که به آن پسزنی یا تکانه تفنگ (recoril of the gun) میگویند و میتوان آن را نیروی واکنش (reaction force) در نظر گرفت.
- مثال ۲: ضربه زدن به فک
در بوکس، وقتی یک بوکسور مشتی به فک حریف میزند، نمونه بارزی از قانون سوم حرکت نیوتن است. وقتی مشت بوکسور با فک حریف تماس پیدا میکند، مشت نیرویی به فک وارد میکند (نیروی عمل). طبق قانون سوم نیوتن، فک حریف نیرویی برابر و در خلاف جهت به مشت بوکسور وارد میکند (نیروی واکنش).
- مثال ۳: حرکت قایق در آب
اگر قایقرانی را در حال پارو زدن مشاهده کنیم، میبینیم که وقتی قایقران با پاروی خود آب را به عقب میراند (نیروی کنش)، آب، قایق را جلو میبرد (نیروی واکنش) و به این ترتیب، قایق در آب حرکت میکند.
فرمول قانون سوم نیوتن
اگر بخواهیم قانون نیوتن را به صورت ریاضی بیان کنیم، میتوانیم بگوییم که اگر جسم A نیرویی به جسم B وارد کند و آن را با
نشان دهیم، سپس جسم B نیرویی به جسم A وارد کند و آن را با 
نشان دهیم، این نیروها از نظر اندازه برابر اما از نظر جهت مخالف هستند. پس به این ترتیب:
FA = – FB
این فرمول به اشکال دیگر نیز نوشته میشود:
نکته: A و B نام دو جسم هستند و میتوانید از هر حرف یا حتی عددی برای نامگذاری آنها استفاده کنید.
این فرمول نشان میدهد که نیرویی که جسم B بر جسم A وارد میکند، در جهت مخالف نیرویی است که جسم A بر جسم B وارد میکند.
FA: نیرویی که توسط جسم اول بر جسم دوم، در جهتی مشخص اعمال میشود.
FB: نیرویی که توسط جسم دوم بر جسم اول، اما در جهتی مخالف اعمال میشود.
این فرمول صورت پیچیدهتری هم دارد و وقتی جرم و شتاب را داشته باشیم، میتوانیم از فرمول زیر استفاده کنیم:
m1: جرم جسم اول.
a1: شتاب جسم اول.
m2: جرم جسم دوم.
a2: شتاب جسم دوم.
- مثال اول:
سؤال ۱: شخصی ۶۰ کیلوگرمی، جعبهای ۱۰ کیلوگرمی را با نیروی ۳۰ نیوتن به سمت راست هل میدهد. نیروی وارد بر آن شخص چقدر است؟
سؤال ۱: ۳۰ نیوتن به سمت چپ
- مثال دوم:
شخصی ۶۰ کیلوگرمی، جعبهای ۱۰ کیلوگرمی را با نیروی ۳۰ نیوتن به سمت راست هل میدهد. شتاب جعبه چقدر است؟
در این مثال میتوانیم از فرمول دوم استفاده کنیم:
m1: جرم جسم اول.
a1: شتاب جسم اول.
m2: جرم جسم دوم.
a2: شتاب جسم دوم.
پس:
m2 = 10 kg
a2 = ?
a2 = F2 / m2
a2 = 30/10
به سمت راست a2 = 3 m/s2
- مثال سوم:
شخصی به جرم ۶۰ کیلوگرم، جعبهای به جرم ۱۰ کیلوگرم را با نیروی ۳۰ نیوتن به سمت راست هل میدهد. شتاب این شخص چقدر است؟
چپ F1 = 30 N
m1 = 60 kg
a1 = ?
a1 = F1 / m1
a1 = 30/60
به سمت چپ a1 = 0.5 m/s2
تصورات غلط در مورد قانون سوم حرکت نیوتن
دو گزاره غلط در مورد این قانون وجود دارد که در این بخش آنها را بررسی میکنیم:
تصور غلط ۱: نیروها یکدیگر را خنثی میکنند
یک تصور غلط رایج این است که نیروهای کنش و واکنش یکدیگر را خنثی میکنند. در حالی که آنها برابر و در جهت مخالف هم هستند، روی اجسام مختلف اعمال میشوند؛ بنابراین یکدیگر را خنثی نمیکنند.
تصور غلط ۲: فقط اجسام بزرگ این نیروها را از خود نشان میدهند
قانون سوم نیوتن برای همه اجسام، صرفنظر از اندازه آنها، اعمال میشود. حتی ذرات میکروسکوپی نیز این نیروها را تجربه میکنند.
مثالهایی از قانون سوم در زندگی روزمره و صنعت
در این بخش مثالهای بیشتری از قانون سوم نیوتن میآوریم تا بتوانید حضور این قانون را در بخشهای مختلف زندگی، صنعت، ورزش و… بهتر درک کنید.
- پرتاب موشک:
در هنگام پرتاب، موتورهای موشک با احتراق سوخت، گاز خروجی داغ تولید میکنند. خروج این گاز (کنش) باعث ایجاد نیروی رانشی برابر و مخالف میشود (واکنش) و موشک را به فضا میراند. برای پرتاب موفقیتآمیز، نیروی رانشی تولید شده باید از جرم موشک بیشتر باشد.
- راه رفتن:
وقتی شخصی راه میرود، پاهایش نیرویی به زمین وارد میکنند (کنش) و در واکنش، زمین با نیرویی برابر و مخالف، فرد را به جلو هل میدهد.
- شنا کردن:
شناگران با بازوها و پاهای خود آب را به عقب میرانند (کنش) و آب نیز به نوبه خود، شناگر را به جلو میراند (واکنش).
- پرواز (پرندگان و هواپیما):
پرندگان با هلدادن هوا توسط بالهایشان به سمت پایین، پرواز میکنند (کنش) و هوا، پرنده را با نیرویی برابر و مخالف به سمت بالا هل میدهد (واکنش). به طور مشابه، هواپیماهای موتوردار از این اصل برای بالابردن و رانش استفاده میکنند. موتورهای جت گازهای داغ را به سمت عقب (کنش) پرتاب میکنند و یک رانش روبهجلو (واکنش) ایجاد میشود.
- پریدن:
وقتی برای پریدن به زمین فشار میآورید، نیرویی در جهت رو به پایین اعمال میکنید. در پاسخ، زمین شما را با نیرویی برابر و مخالف به سمت بالا هل میدهد و به شما این امکان را میدهد تا از زمین بلند شوید.
چرا قانون سوم نیوتن مهم است؟
قانون سوم نیوتن برای تحلیل منشأ نیروها و درک بر همکنشهای نیرو در سیستمهای فیزیکی متنوع بسیار مهم است. این قانون دانشمندان و مهندسان را قادر میسازد تا حرکت را پیشبینی کنند و توضیح دهند. در نتیجه، درک قانون کنش و واکنش به پیشرفت در زمینههای مختلف، از هوافضا گرفته تا بیومکانیک کمک میکند.
همچنین با ارائه چارچوبی روشن برای تحلیل نیروهای برهمکنش، منجر به درک سیستمهای پیچیده و رفع تصورات غلط در مورد حرکت میشود. به طور کلی، این قانون سنگ بنای فیزیک مدرن است و چارچوبی قوی برای درک جهان فیزیکی فراهم میکند.
سخن نهایی
در این مقاله یکی از مهمترین مفاهیم فیزیک حرکتی یعنی قانون سوم نیوتن یا قانون کنش و واکنش را بررسی کردیم. با درک این قانون میتوانیم رفتار بین دو جسم را بهتر درک کنیم و دلیل انواع حرکات را بشناسیم. چندین مثال از زندگی روزمره را که نشاندهنده این قانون هستند، بررسی کردیم. شما چه مثال دیگری از قانون سوم نیوتن میتوانید بیاورید؟ لطفاً نظرات و پیشنهادات خود را در بخش دیدگاه با ما در میان بگذارید.
