אופס, טעינו: למה גופים נעים?

פעם חשבו… שתנועה מחייבת כוח, ועצמים נעים כי משהו דוחף אותם בכל רגע.

היום אנו מבינים… שעצמים ממשיכים לנוע במהירות קבועה ובאותו כיוון, כל עוד לא פועל עליהם כוח חיצוני. זהו החוק הראשון של ניוטון, שנקרא גם חוק ההֶתמֵד או חוק ההתמדה – אחד משלושת חוקי התנועה שנמצאים ביסוד הפיזיקה הקלאסית.

באפריל 1970 אירע פיצוץ בחללית אפולו 13, שהייתה בדרכה לנחיתה על הירח. אחרי שהאסטרונאוטים הצליחו להפנות את החללית הפגועה למסלול שיחזיר אותם לכדור הארץ, הם נדרשו לכבות כמה שיותר ממכשירי החללית כדי לחסוך חשמל, וביניהם מחשב הניווט. מפקד המשימה ג’ים לאבל (Lovell) כיבה את המחשב, ואז אמר לעמיתיו, “הרגע הושבנו את סר אייזק ניוטון במושב הנהג”. דבריו אלה ממחישים עד כמה חוקי התנועה של ניוטון נותרו ציר מרכזי בפיזיקה, גם קרוב ל-300 שנה אחרי פרסומם.

אייזק ניוטון (Newton) נולד ב-25 בדצמבר 1642. למרות ילדות רוויית קשיים, או אולי דווקא בזכותה, הוא הפך למדען בולט. בין השאר הוא חקר את טבעו של האור, המציא את טלסקופ המראות ופיתח את החשבון האינפיניטסימלי, שכיום נקרא חשבון דיפרנציאלי ואינטגרלי – כלי מרכזי במתמטיקה, בפיזיקה ובהנדסה.

בשנת 1687 פרסם את אחד מספרי המדע החשובים בהיסטוריה: “עקרונות מתמטיים של הפילוסופיה של הטבע”, המוכר גם בקיצור שמו הלטיני “פרינקיפיה” (עקרונות). ניוטון הציג בספר את התפיסה המהפכנית שאותם חוקי טבע משפיעים על התנועה של כל הגופים, החל בתפוח שנופל מעץ על פני כדור הארץ וכלה בכדור הארץ עצמו שמקיף את השמש, ובכל הגופים האסטרונומיים האחרים. ליבת הספר היא שלושת חוקי התנועה שלו וחוק הכבידה האוניברסלית, שמגדירים את העקרונות של התנועה הזאת.

חוק התנועה הראשון של ניוטון קובע כי גוף שנמצא במנוחה או בתנועה במהירות קבועה שומר על מצבו כל עוד לא מופעל כוח חיצוני שמשנה אותו. החידוש הגדול של החוק הוא התייחסות למנוחה ולתנועה במהירות קבועה כמצבים דומים מבחינה פיזיקלית, שבהם סכום הכוחות הפועל על הגוף הוא אפס, כלומר הכוחות מאזנים זה את זה.

כדור שמונח על הדשא יישאר במצב המנוחה הזה, עד שתבוא רגל שתבעט בו. אחרי הבעיטה הוא אמור לכאורה להמשיך לנוע באותו כיוון ובאותה מהירות עד שהפרעה אחרת תשנה את זה. בפועל זה לא מה שקורה, כי כוחות אחרים פועלים על הכדור ומשפיעים על תנועתו, כמו החיכוך עם הדשא ועם האוויר וכבידת כדור הארץ. אילו היינו בועטים בכדור בחלל החיצון הוא היה ממשיך באותו כיוון ובאותה מהירות עד שכוח אחר היה עוצר אותו, כמו התנגשות עם חללית של חייזרים. זה בדיוק מה שקורה לחלליות שאנו משגרים לעומק החלל: מרגע שמכבים את המנוע שלהן הן ממשיכות לנוע באותו כיוון ובאותה מהירות, עד לפעם הבאה שהמנוע יופעל. 

החוקים האחרים

לחוק הראשון מצטרפים שני חוקי התנועה הנוספים שגילה ניוטון. החוק השני קובע כי התאוצה של גוף, כלומר קצב השינוי במהירות שלו, קשור ישירות למסה שלו. מכאן אפשר להבין מדוע כשאנחנו בועטים בכדור גומי קליל ומנופח באוויר הוא יכול לעוף ולהתגלגל למרחק של עשרות מטרים, אבל נצטרך בעיטה הרבה הרבה יותר חזקה כדי לגלגל לאותו מרחק כדור ברזל בגודל דומה, כי המסה שלו הרבה יותר גדולה.

החוק השלישי הוא חוק הפעולה והתגובה. הוא אומר שכשמפעילים כוח על גוף מסוים, הגוף עצמו מפעיל כוח שווה בעוצמתו בכיוון ההפוך. כלומר כשאנו בועטים בכדור, הכדור מפעיל כוח על הרגל שלנו – ואנו נרגיש היטב את הכוח הזה אם נבעט בכדור הברזל הכבד שהזכרנו קודם.

השפעתם של שלושת חוקי התנועה על חיינו היא עצומה. רואים אותה לא רק במשחקי כדור אלא בכל מה שקשור לתנועה – ממרחק הבלימה של מכונית ועד לכוח שפועל על הכוס שהפלנו במטבח ושגורם לה להתנפץ, ומיירוט טילים בליסטיים ועד למשקל (או ליתר דיוק המסה) של המזוודה שמותר לנו להעלות למטוס. 

לכל כתבות התערוכה “אופס, טעינו”