ما حدود صلاحية قانون نيوتن الثاني في الأنظمة غير العطالية، وكيف يمكن تعديله في المصاعد أو المركبات المسرّعة

Question

شرح السؤال:

يعلم الطلاب أن قانون نيوتن الثاني يُطبق في الأطر المرجعية الساكنة أو المتحركة بسرعة ثابتة، ولكن ماذا يحدث إذا كان النظام نفسه متسارعًا؟ مثل مصعد يتحرك لأعلى بسرعة متزايدة أو قطار يكبح فجأة؟ هذا السؤال يستهدف كشف نقاط ضعف القانون الكلاسيكي عندما يُطبّق على أنظمة غير عطالية، وكيف نُعالج ذلك في الفيزياء التطبيقية.

Answer 1

✅ الإجابة التفصيلية:

أولًا: الإطار المرجعي العطالي:

• قانون نيوتن الثاني:

• يُفترض أن الراصد في إطار لا يتسارع، أي إطار عطالي.

• لكن في الواقع، معظم التطبيقات تحدث في أطر غير عطالية (مصعد – سيارة – قطار).

ثانيًا: الأنظمة غير العطالية:

• هي الأطر التي تتسارع.

• في هذه الحالات، لا يكفي تطبيق قانون نيوتن الثاني كما هو.

ثالثًا: القوة الخيالية (القوة الظاهرة أو التخيلية):

• لإبقاء قانون نيوتن صالحًا في الأطر غير العطالية، نُضيف قوة تُسمى القوة التخيلية:

• في حالة المصعد المتسارع لأعلى:

• هذه القوة تُفسر الشعور بزيادة الوزن أثناء التسارع لأعلى.

رابعًا: فيزياء المصاعد:

• عند صعود المصعد: ← الشعور بثقل أكبر.

• عند هبوط المصعد بتسارع: ← الشعور بخفة.

• في حالة السقوط الحر: ← انعدام الوزن!

التحليل النقدي:

• قانون نيوتن الثاني ليس خاطئًا، لكنه غير كافٍ في الإطارات المتسارعة.

• الفيزيائيون يعالجون ذلك بإضافة قوى غير حقيقية (افتراضية) لضبط المعادلات.

• وهذا يوضح أن قوانين نيوتن تعتمد بشدة على الإطار المرجعي، وهي ليست مطلقة.

كما أن هذه المعالجة تساعدنا على فهم الكثير من الظواهر اليومية كالدوار في السيارات، أو الشعور المفاجئ بالثقل أو الخفة.

تجارب وأبحاث:

• تجربة إسقاط المصعد من برج (تجربة فكرية لنيوتن): أثبتت أن الأجسام في المصعد تنعدم أوزانها عند السقوط الحر.

• تجارب في محطة الفضاء الدولية تؤكد أن رواد الفضاء يشعرون بانعدام الوزن رغم وجود الجاذبية، بسبب كونهم في حالة سقوط حر مستمر.

ربط بالحياة اليومية:

عند ركوب المصعد، وشعورك المفاجئ بأن وزنك قد تغير، فأنت تعيش تجربة مباشرة على حدود صلاحية قانون نيوتن الثاني. كذلك عند قيادة سيارة تتوقف فجأة وتشعر بجسمك يُندفع للأمام، فإن القوة التي تشعر بها ليست حقيقية بل نتيجة تسارع الإطار المرجعي.

المصادر:

• كتاب الفيزياء – الصف الثاني الثانوي – وحدة قوانين نيوتن.

• جامعة MIT: دروس الفيزياء الميكانيكية.

• أوراق بحثية من المجلة الأوروبية للفيزياء الكلاسيكية.