قوانين الحركة لنيوتن

1. تمهيد

      يعتبر العالم اسحاق نيوتن هو صاحب القوانين الحركة الثلاث المعروفة والتي شاعت استخدامها منذ ظهورها في صورتها الحالية وعلى الرغم من تعرض هذه القوانين الى النقد من قبل العديد من علماء الفيزياء لأسباب قد تكون فلسفيا اكثر من كونها مادية ، فلا يمكن انكارها او اهمال تناولها ، حيث انها تمثل مفتاح لفهم كيفية حدوث الحركة وتفسير مفردات حدوثها.

2. قانون نيوتن الاول

ويعرف هذا القانون بالقصور الذاتي حيث انه يربط بين حركة الجسم وقصوره الذاتي فهو يرى ان اي جسم له خاصية مقاومة الحركة بحكم كتلته اي بمعنى بقاء الجسم على حالته من السكون او الحركة المنتظمة ما لم تؤثر عليه قوة تغير من حالته.

      قانون القصور الذاتي ينص على ان كل جسم يبقى على حالته من سكون او حركة في خط مستقيم ما لم تؤثر عليه قوة خارجية تغير من حالته وبتعبير اخر يعني قدرة الجسم على مقاومة التغيير في الحركة على شرط ان تكون القوة المؤثرة في تغيير الحركة هي قوة مركزية(اي تمر من مركز ثقل الجسم).

لذا فان مفهوم القصور الذاتي هو خاصية الاجسام المادية، التي تظهر في التغيير التدريجي لسرعتها بمرور الزمن، عندما تؤثر عليها قوة اي يعني ارتباط كتله الجسم بسرعته او سكونه.

من هذا القانون نستنتج ان اي محاولة احتفاظ الجسم (اذا بذلت عليه قوة) بحالته التي هو عليها من سكون او حركة (كمية القوة المقاومة للجسم) تتناسب طرديا مع كتلته .

والكتلة« هي مقياس القصور الذاتي للجسم في الحركة الانتقالية وتقاس بالنسبة بين مقدار القوة المطبقة وبين ما تستدعيه هذه القوة من تعجيل» وكلما زادت كتلة الجسم كلما كان القصور الذاتي اكبر للتغلب على المقاومات المختلفة، وعلى هذا الاساس على سبيل المثال لا يمكن ان يتصارع مصارع كتلته 100 كلغ مع مصارع كتلته 60 كلغ وذلك لان صاحب الكتلة الاكبر سيكون عليه سهل جدا من تغيير حركة اللاعب ذو الكتلة الاقل وذلك لان القصور الذاتي للمصارع الاكبر كتلة سيكون اكبر بكثير من المصارع الاقل كتلة وبالتالي سيكون صعب جدا على المصارع اقل كتلة من تغيير حالة الحركة للمصارع الاكبر كتلة وعلى هذا الاساس تم تقسيم اللاعبين الى اصناف وقف كتلهم  وكذلك الحال في الالعاب القتالية الاخرى ورفع الاثقال ايضا.

تحتاج بعض الرياضات الى ان يمتلك اللاعب قصور ذاتي قليل لكل يبذل قوى للتغلب على قوة الجاذبية من اجل تحقيق انجاز اكبر كما هي الحال للاعبي الجيمناستيك عند اداء الحركات الدورانية وزيادة هذا القصور عند الهبوط من الاجهزة، وكذلك تحتاج بعض الرياضات الى ان تكون كتلة الجسم قليل من اجل ان تكون القوى التي تحاول تغيير حالته الثابتة الى الحالة الحركية قادرة على تنفيذ هذا التغير( مثل لاعب الوثب العالي) ،حيث كلما اقترب اللاعب من تخفيف او تقليل المقاومة التي يتعرض لها (القصور الذاتي) يكون اقترب من اداء الحركة  بشكل ناجح.

لذا يكون القصور الذاتي مفيدا عند تطبيق بعض الحركات عندما :

-يحتفظ الجسم باتزان عال في اثناء الاداء على بعض الاجهزة.

- عندما يكون المطلوب استمرار حركة الجسم في بعض المهارات.

- وهذا يتطلب من المدرب ان يضع بعين الاعتبار عند تعليمه الحركات او تدريبها الى لاعبي هذا المبدأ المهم.

ويكون القصور معوقا كما يلي:

- في بعض حالات البداية لبعض المهارات التي تتطلب قوة مميزه بسرعة.

- في مرحلة النهاية لبعض المهارات التي تتطلب توقف في الحركة او التوقف مرة واحدة مثل الهبوط من الاجهزة.

مما سبق نلاحظ انه يمكن تطبيق او الاستفادة من هذا القانون في التطبيقات الخاصة بالتعلم واداء بعض المراحل الفنية الخاصة ببعض الالعاب وخصوصا في الالعاب الفردية مثل ذلك، البداية في الاركاض، جميع الركلات الثابتة او المتحركة بكرة القدم، بعض المهارات بالجمناستيك ، المصارعة وحالات تغيير الاتجاه في بعض الحركات الالعاب المنظمة.

وعلى هذا الاساس تبنى المبادئ التدريبية باستخدام كتله الجسم وما يضاف عليها من وزن مضاف لأجل تمية وتطوير العضلات المسؤولة عن تغيير الحالة الثابتة الى الحالة المتحركة ،كما عند الانطلاق في معظم الالعاب وحالات القفز من الثبات، اذ ان زيادة كتله الجسم تعني زيادة قصوره وهذه زيادة تسبب للعضلات العاملة ومن ثم زيادة كفاءتها والتي تعني زيادة الكفاءة في التغلب على القصور الذاتي لجميع المهارات التي تتطلب تحركا مفاجئا.

اما في ما يخص قانون القصور الذاتي في الحركات الدورانية ،فنطلق عليه بعزم القصور الذاتي وهو مقياس القصور الذاتي للجسم خلال الحركة الدورانية( الزاوية ).

وهذا القانون ينص على ان اي جسم يميل للاستمرار بالدوران بكمية حركة زاوية  الا اذا اثرت عليه عزم قوة خارجية ،ويرتبط هذا التغير بوجود قوة لا مركزية، اي تؤثر على بعده عن مركز ثقل الجسم، وجميع حركات الجسم واجزائه تعتبر حركات دورانية ترتبط بمحاور دوران (مفاصل ) وتتوزع كتل اجزاء الجسم  حول هذه المحاور وعندما يكون مركز الكتلة قريب من محور الدوران فان هذا الجسم يمتلك اقل قيمة لعزم القصور الذاتي، وعندما تبتعد اكثر من محور الدوران يزداد العزم بسبب البعد العمودي بين مركز كتلة الجسم ومحور الدوران، وسرعة الدوران وسوف تزداد بهذا التغير او تقل، وهذا المبدأ يمكن ان يستخدم كمبدأ تدريبي( من خلال التحكم بأنصاف اقطار اجسام الجسم عند التدريب على تطوير الاداء مثل حركات القفزات في العاب القوى والجمناستيك وحركات التهديف في العاب الكرة والهجوم بالكرة الطائرة).

3. قانون نيوتن الثاني

يعتبر هذا القانون هو اهم قوانين الحركة على الاطلاق فهو يبين كيفية ارتباط القوى المسببة للحركة كيناتيكيا  ونمط هذه الحرك( كينماتيكيا) ويعرف هذا القانون بقانون العجلة ( التسارع ) او قانون كمية الحركة الا انه يجب مراعاة ان الامر مختلف في كلتا الحالتين بمعنى ان اسلوب كتابة المعادلة  التي تفسر هذا القانون هو الذي يفرق بين كونه قانون العجلة او قانون كمية الحركة.

والمعادلة الاكثر استخداما هي(F=ma) وهي بهذا الشكل تفسر قانون العجلة في اي لحظة زمنية من لحظات تأثير القوة ، وبالتالي فان الشكل الدقيق للمعادلة السابقة يكون(∑F=ma) وهي تنص على ان (العجلة) التي يتحرك بها الجسم تتناسب طرديا مع القوة المحصلة المؤثرة فيه وتحدث في نفس اتجاهها، كما انها تتناسب عكسيا مع كتلة الجسم، فكلما زادت القوة في اتجاه محدد كلما زادت عجلة التسارع في نفس الاتجاه ومع زيادة الكتلة فان الخاصية القصورية للجسم سوف تقلل من التسارع في حاله ثبات القوة وفي بعض الاحيان قد تساعد قوى اخرى في تقليل هذا التسارع. 

شكليا تعتبر القوة السبب الرئيسي في احداث جهد عند الرفع او السحب او الدفع وينص هذا القانون على ان تزايد سرعة الجسم تتناسب طرديا مع القوة المسببة لها وفي نفس الاتجاه وتتناسب عكسيا مع كتلة الجسم .

وبهذا تحدث تغيرات في حركة الجسم اذا ما استخدمت هذه القوة، اذا فان القوة هي سبب تغير حركة الجسم وطالما ان الجسم مرتبط بكتلة فان التغير في حركة الجسم يرتبط بمقدار كتلة هذا الجسم والسرعة التي يتحرك بها من بداية الحركة الى نهايتها، وهذه الحالة مثلا تكون عند انطلاق اللاعب للبدء باي اداء حركي يتعلق بتنفيذ واجب حركي محدد ،ولما كان كل من كتلة الجسم وسرعته تعبر عن مقدار كمية الحركة التي يمتلكها ذلك الجسم والتي لها علاقه بشكل وحجم القوة المبذولة، لذا فان القوة هي التي تسبب تغير في كمية حركة الجسم دائما ولها فان كمية الحركة تعني: كتلة الجسم× سرعته

وهذه الكمية مرتبطة بمقدار القوة لذلك فان القوة تعني التغير في كمية حركة الجسم .

     وطبقا لراي نيوتن فان القوة هي مقياس لرد الفعل الداخلي  للجسم ،لذلك فان التغير في كمية الحركة يرجع الى مقدار كمية رد الفعل الداخلي (والتي تكون عند الانسان ردود افعال الجهاز العصبي- العضلي المشتركة ) ،حيث يمكن ان يكون التغير في السرعة او لا يكون قياسا برد الفعل الداخلي هذا.

ان التغير في كمية  الحركة بسبب القوة المبذولة يكون دائما بزمن محدد وكلما كان هذا الزمن قصير يكون التغير في كمية الحركة ايجابي والعكس صحيح لذا يمكن صياغة هذا القانون كما يلي:

القوة= التغير في كمية الحركة /التغير في الزمن

وهذا القانون هو القانون الاساسي للحركات في المجال الرياضي حيث ان القوة هنا هي القوة المحصلة (كمقدار ) واتجاهها هو اتجاه تعجيل الجسم ووحدات قياسها هو نيوتن و الذي هو (كغ × م /ثا²)،  وارتباط القوة بزمن محدد يعني مصطلح القوة الزمنية والذي يعطي مفهوم دفع القوة جميع الالعاب الرياضية .

ونشير هنا ان القوة  الداخلية هي التي تمثلها قوة  الانقباض العضلي وقوة  الاربطة  والاوتار، اما الجانبية وقوى الاحتكاك ورد فعل الارض والمقاومات الاخرى فهي قوى خارجية . 

4. قانون الحركة الثاني في الحركات الدورانية

ينص على ان العزم المؤثرة على جسم ما يتناسب مع التغير في كمية الحركة الزاوية، لذا يكون العزم له مواصفات القوة في تغيير كمية الحركة للأجسام الدورانية، وعندما نستدل من ذلك ان كل حركة دوران يقوم بها جسم الانسان تسببه القوة الداخلية للإنسان (العضلة) ،وهذه القوة الداخلية هي السبب المباشر في ارتباط الجسم بقوة عضلية  كبيرة من ان يكون عزم دفع القوة له اثناء الدوران مؤثر في انسيابية الحركة  الدورانية اداء فني عال ومؤثر من اجل تحقيق الهدف من الحركة سواء بالحصول على درجة تقييم عالية كما في حركو الوثب الطويل وكذلك يمكن ان تكون في حركات لاعب الجيمناستيك او تحقيق سرعة خطيه كبيرة للحصول على افضل سرعة انطلاق والتي تعد احد العوامل المؤثرة في تحقيق اكبر مسافه افقية

لذلك  فان تطوير القوة العضلية سواء المطلقة او النسبية سوف يعمل على تطوير عزم القوى وزخوم الجسم. ودفع القوة والتي تعد عوامل ميكانيكية مترابطة عند تنفيذ معظم الحركات الرياضية. 

5. قانون نيوتن الثالث

      ويعرف بقانون رد الفعل فهو ترجمة فعلية الى ان لكل فعل رد فعل مساوي له في المقدار ومضاد له في الاتجاه او بمعنى اخر ان كل قوة مبذولة في اتجاه ما يقابلها قوة اخرى مساوية ومضادة في الاتجاه، فاذا ما قام الفرد  بدفع الحائط في الاتجاه الافقي فان الحائط سوف يعكس هذا الدفع بنفس المقدار وهذا لا يعني ان القوة في الشكل التخطيطي له يمكن التعبير عنها بمتجهين ولكن يجب ان نعرف ان تأثير القوى ليس على جسم واحد فالشكل التخطيطي للقوة يعني التعامل مع جسم واحد او نظام ميكانيكي تؤثر عليه القوى . (

       ان وجود قوتين متساويتين في المقدار ومتضادتين في الاتجاه يشير الى تفاعل بين الجسمين مع بعضهما وفي المجال الرياضي الكثير من الحركات التي تتطلب وجود قوتين متعاكستين ومتساويتين في المقدار وحسب نوع الحركة، حيث يمكن ان يكون الجسمين جزئيين من اجزاء الجسم او الجسم ذاته مع جسم اخر ( كالأرض او خصم اخر مثلا ) او الجسم مع الاداة المستخدمة

       وبشكل عام كله حركة يقوم بها الرياضي من ركض او قفز او رمي لا يمكن ان تحدث الا بوجود قوى احدهما القوى الداخلية المتمثلة بالقوى العضلية وردود افعالها العصبية العضلية وقوى الاربطة والاوتار والقوى الخارجية والتي تشمل قوة الجاذبية الارضية والاحتكاك وقوة رد فعل الارض ومقاومه المحيط( هواء او ماء ) والعلاقة بين هذه القوى اثناء اداء القفز او الركض او الرمي تنتج الفعل النهائي لهذه القوى من اجل دفع الجسم القفز او الركض، ولتوضيح ذلك نقول ان في جميع حركات الركض او حركات القفز هي عبارة عن فعل ورد فعل متبادل بين القوى الداخلية (العضلية)  والقوة الخارجية( الجذب) ويكون التأكيد على حركة  الدفع بالرجلين بشكل الخاص من خلال العضلات العاملة فيها وان يكون الدفع هنا بزاوية وخلف مركز كتلة الجسم ،حيث يمكن ان ينتقل الجسم بسبب هذا الدفع نحو الامام ، ويكون تسلسل الدفع بامتداد الوركين (الفخذ ) والركبة ثم الكاحل ولهذا السبب تتحد السرعة بصورة رئيسية بمستوى قوة العضلات التي تقوم بالانبساط (الامتداد) وخصوصا العضلات ذات الرؤوس الثلاثة الخلفية  وهذه الفكرة تعطي اهمالا للمرحلة التي يكون فيها انثناء في هذه المفاصل( المرحلة التي يكون فيها الرجل المرجحة امام مركز ثقل بلحظة الارتكاز ) حيث يعتقد ان هذه المرحلة هي اكثر اهمية في تحقيق السرعة في الركض القصير القصوى من المرحلة التي يكون نقطة الارتكاز خلف مركز ثقل الجسم ولتفسير ذلك من خلال قانون نيوتن الثالث نقول:

ان اللاعب يتمكن من الركض لمسافة  قصيرة وبسرعة  قصوى من خلال قوى رد الفعل الارضية وفعل القوة  الداخلية وعلى ذلك فان هذا التبادل للقوة  تمكن العداء من العمل والتأثير على تحقيق السرعة فقط له عندما تكون قدم رجله الدافعة  على الارض( في مرحلة الارتكاز، والتوقف اللحظي للسرعة  العمودية ، والدفع ) وتكون القوه المسلطة على الارض مساوية ومقابل للقوة التي تدفع اللاعب الى الامام، ويعتمد حجم القوة بشكل رئيسي على القوة  العضلية  العاملة في مفاصل اللاعب المشاركة  بشكل حقيقي في الحركة ولهذا السبب ينبغي النظر في موضوع تدريب القوة مثل تلك الخاصة بتقوية العضلات العاملة بالأداء والعضلات الظهرية  والبطنية على وفق ردود الافعال التي تستطيع العضلات تحقيقها من اجل الحصول على ناتج افعال مقابلة لها . 

في كثير من الحالات تؤثر اكثر من قوة في نقطة على الجسم في نفس الوقت ، من السهل السيطرة على مثل هذه الحالة من خلال قوانين نيوتن من خلال مفهوم متجهه محصلة القوة ، حيث ان كل قوة لها مقدار واتجاه ،يمكن جمع مجموعة من القوى المؤثرة على جسم بمتجه واحد هو محصلة القوى ،اذن يمكن ان تراعي قوانين نيوتن استخدام هذه المحصلة المنفردة للقوة ،عند توضيح المشكل الكيناتيكية تصبح الاداة المفيدة هي التمثيل البياني الحر للجسم (FBD) ، وهو نموذج للجسم حيث يتضمن جميع القوى المؤثرة عليه.

رسم FBD يبنه الباحثون بوجود كل قوة ويساعدهم على رؤية اتجاه رد فعل القوى التي تؤثر على الجسم في المعادلة .

5.1. قانون نيوتن الثالث في الحركات الدورانية

ينقص على ان لكل عزم مؤثرة من جسم الى اخر هناك عزم اخر مساوي له في المقدار ومضاد له في الاتجاه ،ويكون لحظيا من الجسم الثاني الى الجسم الاول ، يمكن تفسير حركة كابس الكرة الطائرة  بهذا الصدد، او حالات الاتزان في بعض الالعاب ،وكذلك لاعب الحواجز الذي يبدو واضحا على حركته  اثناء اجتياز الحاجز ان حركة الرجل القائدة وسرعتها تعتبر فعل تحتاج الى فعل يقابله لرفع الطرف العلوي (كرد فعل) لذا فان الطرف العلوي سوف يعمل على الثاني للأمام في الاتجاه العكسي للرجل كرد فعل وكل هذه الحركات عبارة عن عزوم قوى للعضلات العاملة  وعزوم مقاومه لها

5.2. استخدام نظرية الطاقة الحركية في تحديد شده التدريب للاركاض القصيرة

الطاقة هي القدرة على القيام بعمل ما وهناك صور عديدة للطاقة يتمثل اهمها في الحرارة والضوء والصوت وهناك ايضا الطاقة الكيميائية التي تتحرر عند حدوث تغيرات كيميائية و يمكن تحويل الطاقة من صورة الى صورة اخرى فعلى سبيل المثال يمكن تحويل الطاقة الكيميائية المخزنة في عضلات الانسان الى طاقه حركية

فالطاقة الناتجة عن الحركة هي الطاقة التي يملكها الجسم ما هو التي تعكس قدرة هذا الجسم على القيام بعمل يعني تحريك قوة ماء وهذا النوع يسمى في علم الفيزياء الطاقة الحركية وترتبط هذه الطاقة بكمية التحرك( الزخم) الذي يمتلكه هذا الجسم وكمية الحركة التي لا تعتمد فقط على سرعه الجسم.

لهذا فان سرعة الجسم تدخل بشكل رئيسي في حساب الطاقة الحركية اذا ما علمنا ان كتلة الجسم هي ثابتة تقريبا، لتوضيح اهمية استخدام الطاقة الحركية في تدريب رياضه السرعة نستعرض ما يأتي:

من المسلم به ان تحديد الشده التدريبية عند تدريبات السرعة لعداء المسافات القصيرة لغرض تطوير السرعة ومداومة السرعة الخاصة يتطلب منا اولا تحديد الزمن الاقصى لقطع هذه المسافة القصيرة التي نريد لاعبين عليها وهذا الزمن يمثل الشدة القصوى له (100 %)ثم يتم تحديد الشدة والمراد التدريب عليها من هذه الشدة كمثل لاعب (100 متر) زمنه الاقصى في هذه المسافة هو (10ثا) ثانية وهو يمثل الشدة (90%) وبتكرار ثلاث مرات لهذه المسافة فان تحديد الشدة بالطريقة المعروفة في التدريب يكون بقسمة الزمن الاقصى على الشدة المراد التدريب عليها وتكون بذلك:

10/0٫9=11٫11ثا هذا الزمن يمثل بشدة (90%)

وهذه الشدة يكون التدريب عليها دون مراعاة اوزان الرياضيين او الفروق الفردية بينهم لهذا فقط جاءت  نظريه الطاقة الحركية لتعطي واقع الفروق في ازمان هذه الشدة من خلال متغيرات معدل السرعة والكتلة لكل رياضي وكما يلي:

ط ح=0٫5×الكتلة ×( السرعة)²

ط ح= 9٫5×الكتلة× (المسافة/الزمن)²

5.3. استخدام نظرية الطاقة الحركية الزاوية في تحديد شده التدريب للحركات الزاوية:

كما تم ذكره سابقا في ما يخص تحديد شدة  التدريب بنظريه الطاقة الحركية فانه يمكن ايضا تحديد شدة التدريب للحركات الزاوية من خلال نظرية الطاقة الحركية الزاوية وقانونها:

الطاقة الحركية الزاوية: 1/2 ك(نق×س ز)²

لما كانت السرعة الزاوية = الازاحة الزاوية / الزمن

لذا يمكن تحديد شده التدريب بايجاد الطاقة الحركية الزاوية القصوى(100 %) وبنفس الاجراءات التي استخدمناها في الطاقة الحركية الخطية.

6. مراجع المحاضرة

-عادل عبد البصير علي.(1998). الميكانيكا الحيوية و التكامل بين النظرية و التطبيق في المجال الرياضي.ط1. مركز الكتاب للنشر: القاهرة .

- عادل عبد البصير علي.(2008). الميكانيكا الحيوية والتقييم والقياس التحليلي في الاداء البدني.ط1.المكتبة المصرية للطباعة والنشر والتوزيع : الاسكندرية .

-عصام الدين متولي عبد الله.(2011).علم الحركة و الميكانيكا الحيوية بين النظرية والتطبيق.ط1.دارالوفاء لدنيا الطباعة والنشر: الاسكندرية.

-صريح عبد الكريم الفضلي .(2010).تطبيقات البيو ميكانيك في التدريب الرياضي والاداء الحركي .ط1.دار دجلة ناشرون وموزعون  :عمان.

-طلحة حسام الدين .(2014).ابجديات علوم الحركة في مجالاتها وتطبيقاتها الوظيفية والتشريحية.ط1.مركز الكتاب الحديث: القاهرة .

-عارف صالح الكرمدي .(2015). مبادئ الميكانيكا الحيوية والتحليل الحركي.ط1. اليمن، الحديدة .