قانون سوم نیوتن در رابطه با حرکت

قانون سوم نيوتن در رابطه با حرکت

وقتى دونده‌اى مى‌دود، با پاهاى خود به طرف پائين و عقب بر روى زمين فشار مى‌آورد، او بر اثر اين فشار که بر زمين وارد مى‌کند بدن خود را به طرف بالا و جلو مى‌راند. بر طبق قانون اول نيوتن موقعى اين حرکت بالا و به جلو براى دونده ميسر است که با پاى خود در جهت مخالف بالا و به جلو يعنى پائين و به عقب بر زمين فشار وارد کند (شکل A). وزنه‌بردارى که مشغول حرکت پرس سينه در حالت خوابيده روى نيمکت مى‌باشد، براى بلند کردن وزنه بايد به آن نيرو وارد کند، در صورتى که در همان حال از طرف وزنه يا هالتر نيرويى که بستگى به وزن هالتر دارد آن را به طرف پائين مى‌کشد (شکل B). بازيکن بستکتبال که در حال دريبل کردن توپ مى‌باشد، با دست خود توپ را به طرف زمين فشار مى‌دهد و در حالى که مشغول اين کار است توپ تا اندازه‌اى مقاومت کرده، بر کف دست و انگشتان بازيکن فشار مى‌آورد. وقتى توپ به زمين اصابت مى‌کند، نيرويى از طرف توپ بر زمين وارد مى‌شود و سپس حرکت توپ براى لحظه‌اى متوقف شده و دوباره در جهت عکس حرکت اوليه به حرکت در مى‌آيد. در اينجا مجدداً بر طبق قانون اول نيوتن چنين نتيجه گرفته مى‌شود که اين عمل وقتى صورت خواهد گرفت که بازيکن به اندازهٔ کافى به توپ نيرو و فشار وارد کرده باشد (شکل C).

مثال‌هاى بى‌شمار ديگرى مى‌توان در ورزش‌هاى مختلف ذکر کرد که در آن يک جسم بر جسم ديگر نيرو وارد کرده و سپس به نوبت خود از طرف جسم ثانوى نيرويى در جهت عکس نيروى اول دريافت مى‌دارد. عملکرد اين نيروهاى برهم کنشى پايه و اساس قانون سوم نيوتن را در رابطه با حرکت تشکيل مى‌دهد که عموماً به‌شرح زير بيان مى‌شود:

'براى هر عمل، عکس‌العملى وجود دارد که مقدار آن مساوى عمل و جهت عکس آن است' .

در تعريف قانون سوم نيوتن يکى از نيروها را 'عمل' و ديگرى 'عکس‌العمل' مى‌نامند قانون سوم نيوتن در رابطه با حرکت فراتر از مشاهدات ذکر شده در شکل بالا مى‌رود، زيرا نه تنها جهت نيرو در عمل و عکس‌العمل مخالف يکديگر مى‌باشد بلکه اندازه و مقدار آنها نيز باهم برابر است و اين موضوع به دشوارى مورد قبول افراد قرار مى‌گيرد. دليل آن اين است که اثر دو نيرو بر همديگر اغلب مختلف مى‌باشد. مثلاً در مورد دونده مشاهده مى‌کنيم که با سرعت مى‌دود ولى بر روى زمين هيچ اتفاقى نمى‌افتد. در مثال پرس سينه وزنهٔ پرس شده و به ارتفاع دست‌ها به بالا مى‌رود ولى در هالتر هيچ‌گونه تغيير رخ نمى‌دهد. کليهٔ اين تناقضات ظاهرى را مى‌توان براساس قانون دوم نيوتن توجيه کرد زيرا در آن قانون چنين گفته شده است که 'هرگاه مقدار نيرو ثابت باشد شتاب حرکت جسم با جرم آن نسبت معکوس دارد' .

به عبارت ديگر هر قدر جرم جسم بيشتر باشد، شتاب حرکت آن کندتر خواهد بود و حالا مى‌توان گفت اگر دونده و زمين نيروى مساوى بر يکديگر وارد کند منطقى به نظر مى‌رسد، چون جرم دونده از جرم زمين به‌مراتب کمتر است بنابراين اثر نيروى زمين روى دونده به مراتب مشهودتر از اثر دونده روى زمين مى‌باشد. همين موضوع دقيقاً در مورد وزنه‌بردار نيز صادق است، زيرا بدن او در حال درازکش روى نيمکت طورى قرار گرفته است که بسيار نزديک و در واقع وصل به زمين مى‌باشد. اثر دو نيرو در اينجا عبارت است از وزنه در يک طرف و وزنه‌بردار و زمين در طرف ديگر و بنابراين اثر وزنه‌بردار و زمين بر روى وزنه به‌مراتب مشهودتر از اثر وزنه روى بدن وزنه‌بردار و زمين مى‌باشد.

موضوع اتصال و وصل کردن يک جرم کم به جرم زياد در بسيارى از ورزش‌ها حائز اهميت است به‌خصوص در تيراندازى با تفنگ، زيرا موقعى که تفنگ را آتش مى‌کنيم فشنگ و بدنهٔ تفنگ هر يک بر ديگرى نيرو وارد مى‌کند که اندازهٔ آنها مساوى و جهت عملکرد يکى برعکس ديگرى است و چون جرم فشنگ نسبت به بدنهٔ تفنگ کوچک است شتاب و سرعت آن در اثر نيرويى که به آن وارد مى‌شود بسيار زياد است و با اينکه به خاطر جرم سنگينى بدنه تفنگ سرعت آن در جهت عکس پرواز فشنگ خيلى کمتر است ليکن در صورتى که تيرانداز ناشى و کم‌تجربه باشد و نتواند اين حرکت به عقب را کنترل کند تفنگ به‌اصطلاح به او لگد خواهد زد. براى جلوگيرى از اين عمل تيراندازان ماهر تفنگ را محکم در ناحيهٔ شانه به بدن مى‌فشارند و جرم تفنگ را به جرم بدن خود وصل مى‌کنند و در نتيجه نيروهاى متقابل از يک طرف فشنگ و از طرف ديگر بدنهٔ تفنگ و وزن بدن تيرانداز خواهند بود. هرگاه تيراندازى در حالت درازکش روى زمين باشد علاوه بر بدن تيرانداز، از اتصال آن دو به زمين مى‌توان جرم را بينهايت افزايش داد.

مشکل اغلب در اين است که چگونه بدانيم قانون سوم نيوتن را در کجا و در چه حالت در ورزش مورد استفاده قرار بدهيم. به‌طور مثال دونده‌اى را به‌طورى که در شکل d نشان مى‌دهد در نظر بگيريد.

اين دونده براى تقويت عضلات پاى خود چنين تمرينى را انجام مى‌دهد. حالا سؤالى که در اينجا مطرح مى‌شود اين است که اگر اثر نيروى کششى طناب برابر و از نظر جهت عکس نيرويى که دونده بر طناب وارد مى‌کند باشد، چگونه دونده مى‌تواند به طرف جلو بدود؟ اشکال کار در اين مثال اين است که به تمام نيروهاى اثرگذار در اين حرکت توجه نشده است. در واقع در اين وضعيت چهار نيروى خارجى روى دونده به‌شرح زير اثر مى‌گذارند:

- نيروى کششى P در جهت طناب.

- وزن بدن دونده که با W نشان داده شده است.

- نيرويى که از عکس‌العمل زمين بر او وارد مى‌شود (شکل قبل)

- نيروى مقاومت هوا که با A نشان داده شده است.

اين نيروها را مى‌توان در شکل زير ملاحظه نمود. حال با توجه به نيروهاى چهارگانهٔ فوق چه چيز اتفاق مى‌افتد بستگى به برآيند اين نيروها دارد. هرگاه مؤلفه‌هاى افقى بردارهاى A و P از يک طرف با مؤلفهٔ افقى R و از طرف ديگر از لحاظ اندازه باهم مساوى باشند، دونده قادر نخواهد بود به جلو بدود (چون وزن بدن دونده مؤلفهٔ افقى ندارد بنابراين اثر مستقيمى در جهت حرکت افقى دونده نخواهد داشت) و چنانچه ترکيب مؤلفه‌هاى افقى A و P از نظر مقدار کوچکتر از مؤلفهٔ افقى R باشد دونده به طرف جلو حرکت مى‌کند. حرکت ظرفى را نيز که دونده کوشش مى‌کند به‌دنبال خود بکشد مى‌توان به همين نحو پيشگويى نمود (يادآوري: براى اينکه بدانيم يک جسم در حالت خاص چگونه حرکت مى‌کند از شکلى به نام 'تصوير جسم آزاد' مى‌باشد کمک مى‌گيريم مانند شکل زير که در آن جسم مورد نظر (دونده) به‌طور آزاد از محيط رسم شده است و کليهٔ نيروهاى خارجى که بر جسم اثرگذار هستند به‌وسيلهٔ بردار نشان داده شده‌اند. در اين حالت ابتدا نيروهايى را که در جهت معينى عمل مى‌کنند مورد ملاحظه و آزمايش قرار مى‌دهيم تا بفهميم حرکت جسم در آن جهت چگونه است و چنانچه اندازهٔ واقعى اين نيروها شناخته شده نباشد مى‌توانيم وضعيت‌هاى ضرورى را که بايد وجود داشته باشند تا جسم را در جهت مورد نظر به حرکت درآورند مشخص کنيم).

گفته‌هايى از قبيل 'کوبيدن محکم پا يا گام آخر روى تختهٔ پرش طول ' ويا ' کوبيدن گام آخر بر زمين قبل از پرش ارتفاع' تا مطابق قانون سوم نيوتن فشار زمين بر بدن به طرف بالا افزايش پيدا کند نشانه‌اى از عدم درک و فهم صحيح قانون سوم نيوتن (عمل و عکس‌العمل) مى‌باشد. اشتباه اين مربيان در آن است که مى‌پندارند عکس‌العمل بعد از عمل اتفاق مى‌افتد در صورتى که چنين نيست و واقعيت اين است که هر دو هم‌زمان به‌وقوع مى‌پيوندند و بنابراين چنين عکس‌العمل شديدى از طرف زمين به مراتب زودتر از لحظه‌اى که مربى آرزو مى‌کند اتفاق مى‌افتد و موجب شرمسارى پرنده مى‌گردد. از نظر فيزيولوژيکى نيز منطق کوبيدن پا به زمين و تکان دادن شديد پاها قابل سؤال مى‌باشد).