نيوتن وقوانينه في الحركة

إسحق نيوتن من أبرز علماء الرياضيات والفيزياء ، وأحد رموز الثورة الصناعية في أوربا ، عاش في القرن السابع عشر الميلادي وأفاض على البشرية علوماً وإختراعات لا تزال نافذة ومسلمٌ بها إلى الآن , وخصوصاً قوانين الحركة . 

إقترح نيوتن ثلاثة قوانين للحركة وقد مكنت هذه القوانين العلماء من وصف وتفسير حركات الأجسام الجامدة والحية على حدٍ سواء , وما يهمنا في علم البايوميكانيك وتطبيقاته في المجال الرياضي هو كيفية التعامل مع هذه القوانين بما يفسر المسارات الحركية للفعاليات الرياضية وكيفية حدوثها , وبالأخص الحركات الدائرية لتطوير الإنجاز . 

لكي نفهم القوانين الثلاث الأساسية للحركة يجب أن نفهم القوة من الناحية الميكانيكية والتي تعني :

الفعل الميكانيكي الذي يغير أو يحاول أن يغير من حالة الجسم الحركية أو الشكلية . إن خط عمل القوة ونقطة تأثيرها هما من يحددان طبيعة الحركة .

الحركة الدائرية : ^([1])

يطلق على الحركة التي يدور بها الجسم أو جزء من اجزائه حول محور معين اسم الحركة الدائرية او الحركة الزاوية , إن معرفة هذا النوع من الحركة هو ضرورة يجب على المدرب او العامل في المجال الرياضي أن يفهمها حيث أن معرفة أسس هذا النوع من الحركة مهم في معظم الفعاليات الرياضية كالركض والرمي والقفز والجمناستك والسباحة وغيرها من الألعاب . 

إن معظم الحركات التي تبدو كحركات إنتقالية للوهلة الأولى في الحقيقة هي ناتجة عن حركة دائرية سبقتها . فالحركة الإنتقالية التي نشاهدها في القرص أو الرمح هي حركة ناتجة عن حركة الجسم والذراعين الدائرية , وإن إتباع الأسس الصحيحة لهذه الحركة الدائرية سينتج عنه قطع القرص أو الرمح مسافات أفقية أكبر , حيث أن هناك علاقة وثيقة بين الحركة الدائرية والحركة الإنتقالية . 

العلاقة بين الحركة الدائرية والحركة الإنتقالية ^([2]) :

 في معظم فعاليات الرمي نجد المدرب يؤكد على ضرورة إبعاد الآلة المقذوفة قدر الإمكان عن محور الدوران في لحظة الرمي , فالمدرب في رمي القرص مثلاً ينصح الرياضي أن يبعد القرص عن محور الدوران بقدر المستطاع كي يحصل على أحسن نتيجة ممكنة . إن السبب في ذلك هو أن زيادة طول نصف قطر الدوران أثناء الرمي سيؤدي إلى زيادة السرعة الإنتقالية للجسم المقذوف في لحظة الإنطلاق , ويمكن التعبير عن هذه العلاقة بالمعادلة الآتية : 

السرعة = السرعة الدائرية x نصف القطر 

س = س د x  نق

ويمكن التعبير عن نفس المعادلة بالشكل الآتي : 

              س

س د =  

             نق  

مبادئ الحركة الدائرية :

هناك مبادئ أساسية عامة فيما يتعلق بالحركات الدائرية وتتعلق هذه المبادئ بعزم القوة و عزم القصور الذاتي والزخم الدائري . 

أولاً : عزم القوة 

 هي محاولة القوة لتدوير الجسم الذي تعمل عليه حول محـــور الدوران , وتســـاوي ( القوة x ذراعها )^([3]) . إن ذراع القوة هو المسافة العمودية من إتجاه القوة إلى محور الدوران . 

إن تأثيرات الدوران تتولد بواسطة أي قوة عاملة والتي تعرف العزم , أو قوة العزم والتي يمكن أن تكون قوة دوران في الحركة الزاوية وهي مشابهة للقوة في الحركة الخطية ^([4]) .

إذا كان هدفنا التغلب على عزم القوة أو تقليله علينا أن نعمل على تقصير ذراع القوة بقدر الإمكان . مثال ذلك رافع الأثقال حيث إن الصعوبة التي يواجهها أقل عندما يرفع الثقل قريباً من جسمه في الوقت الذي سوف يلاقي صعوبة أكبر إذا أراد أن يرفع الثقل وهو بعيد عن جسمه . 

ثانياً : عزم القصور الذاتي : 

القصور الذاتي هي مقدرة الجسم على مقاومة أي تغير في حالته ^([5]) , وفي الحركة الخطية يتناسب القصور الذاتي للجسم طردياً مع كتلته فكلما كان الجسم ثقيلاً كلما إحتاج إلى قوة اكبر لتحركه أو لتوقف حركته , ونفس المبدأ يطبق في الحركات الدائرية فالأجسام التي تدور حلزونياً تميل إلى الإحتفاظ بدورانها , وبالمثل كما في الحركة الخطية فإن كمية القوة اللازمة لدوران أو لإيقاف دوران الجسم تتناسب مع كتلته . 

يزداد عزم القصور الذاتي بزيادة البعد عن محور الدوران مع ثبات الكتلة وهذا العامل هو الذي يحدد سرعة الدوران أو التعجيل الزاوي , ويمكن الإستفادة من ذلك في التدريب من خلال تقليل أنصاف الأقطار لزيادة السرعة الزاوية أو زيادة أوزان الأجزاء من خلال إستخدام أوزان إضافية , ولابد من الإنتباه إلى تأثير القوى المركزية واللامركزية أثناء حدوث الحركات الدورانية , مع ملاحظة أن أجزاء الجسم ترتبط فيما بينها من خلال مفاصل تتم عليها ومن خلالها الحركات والإنتقال من جزء إلى آخر . 

إن عزم القصور الذاتي هو العامل الرئيس في الحركة الدورانية , والكتلة هنا لها نفس التأثير في الحركة الخطية وإن سرعة الدوران أو التعجيل الزاوي تحدد من خلال كتلة الجسم وبالتالي تحدد قيمة الزخم الزاوي أو كمية الحركة الزاوية .

 إن كمية الحركة الزاوية يمكن أن تتحدد من خلال القانون الآتي : 

الزخم الزاوي = الكتلة x السرعة الزاوية x نق²

إن المبدأ السابق من الممكن أن يدخل في تحديد شكل الأداء المهاري الجيد للاعب متقدم والأداء للاعب مبتدئ عند أداء نفس المهارة ويظهر لدينا ذلك من خلال المسار الحركي الظاهري للمهارة . كما في الشكل رقم ( 1 ) 

شكل رقم (1) يوضح المسار الحركي الظاهري لأداء مهارة القفزة الأمامية

إن فهم العلاقة بين عزم القصور الذاتي يتوضح لنا من خلال الكثير من الفعاليات الرياضية مثل الرقص على الجليد والباليه , حيث أن اللاعب يعمل على تقريب أجزاء جسمه من محور الدوران عند زيادة السرعة ويبعد أجزاء جسمه عن مركز الدوران عندما يريد أن يقلل من سرعة الدوران , أي أن تنظيم العلاقة بين عزم القصور الذاتي والسرعة الزاوية يتم من خلال التحكم بأنصاف أقطار الدوران , وهذا ناتج من خلال العلاقة العكسية بين السرعة الزاوية ونصف قطر الدوران , حيث إن : 

السرعة المحيطية = السرعة الزاوية x نصف القطر 

ثالثاً : الزخم الدائري : 

هو حاصل ضرب عزم القصور الذاتي في السرعة الدائرية ^([6]) ونعبر عنه بما يأتي : 

الزخم الدائري = عزم القصور الذاتي x السرعة الدائرية 

رابعاً : قانون حفظ الزخم الدائري : 

إن الزخم الدائري لجسم هو مقدار ثابت لا يتغير إلا إذا أثرت عليه قوة خارجية . فمجال الإستفادة من هذا المبدأ هو مجال واسع جداً حيث أن الرياضي الذي يعلم أن الزخم الدائري هو كمية ثابتة سوف يستطيع السيطرة على سرعة دورانه عن طريق تغيير قيمة عزم القصور الذاتي وذلك بتقريب أو إبعاد أجزاء الجسم عن محور الدوران . 

فإذا قربت أجزاء الجسم من محور الدوران سوف تقل القيمة الحسابية لعزم القصور الذاتي , وبما أن الزخم الدائري هو كمية ثابتة عند عدم وجود قوة خارجية فإن قلة عزم القصور الذاتي سوف تؤدي أوتوماتيكياً إلى زيادة سرعة الدوران . أما إذا بعدت أجزاء الجسم عن محور الدوران فإن ذلك يؤدي إلى زيادة عزم القصور الذاتي وبالتالي إلى إبطاء سرعة الحركة . فرياضي الجيمناستك الذي يكـوّر جسمه خلال الدوران في الهواء ستكون سرعته الدائرية أكبر من زميله الذي يأخذ وضع المد في الدوران , وهكذا أيضاً يسيطر الرياضي على سرعته الدائرية في فعاليات الغطس أو أي فعالية يدور بها الجسم حول محور . 

قوانين نيوتن في الحركات الدائرية  :

تنطبق قوانين الحركة التي أوجدها نيوتن على حركة الأجسام التي تسير بشكل خطي والأجسام التي تدور بشكل دائري مع بعض الفروق في المصطلحات والخصائص التي تتسم بها حركات تلك الأجسام . 

في الحركة الخطية يتناسب القصور الذاتي للجسم طردياً مع كتلته , فكلما كان الجسم ثقيلاً كلما إحتاج إلى قوة أكبر لتحركه أو لتوقف حركته , ويعتبر هذا الأمر صحيحاً أيضاً بالنسبة للحركات الدورانية . فالأجسام الدائرة حلزونياً تميل إلى الإحتفاظ بدورانها .

القانون الأول / قانون القصور الذاتي :

ينص هذا القانون على أن : ( الجسم الدائر يستمر في دورانه حول محور الدوران بكمية حركة زاوية ثابتة ما لم يؤثر عليه إزدواج أو قوة لا مركزية ^([7]) ) . 

يعرف هذا القانون بقانون الإستمرارية أو عزم القصور الذاتي , وأصل المصطلح  يعني الكسل أو الخمول وهو مترجم من اللاتينية , وهو صفة موجودة في كل الأجسام الحية وغير الحية .

إن التعامل مع قانون نيوتن الأول يكون من خلال حالتين هما السكون أو الحركة ففي السكون يشترط أن تكون محصلة القوى المؤثرة على الجسم تساوي صفراً , أما إذا لم تتساوى هذه القوى فسوف يتحول الجسم إلى حالة الحركة وهذا ينطبق على الحركة الخطية والدائرية .   

عند تحليل حركات جسم الإنسان فإن الكتلة تبقى ثابتة في جميع الحالات , وإن التشابه الزاوي يشكل القاعدة الأساس لحفظ الزخم الزاوي , لأن السرعة الزاوية يمكن أن تتغير لتعويض التغير في عزم القصور الذاتي عن طريق التغير في نصف قطر العزم , وإن قيمة الزخم الزاوي تبقى ثابتة في غياب العزوم الخارجية .

العوامل المؤثرة في قانون القصور الذاتي : 

1 – يرتبط القصور الذاتي للأجسام بمقدار كتلتها حيث إن مقدار القوة التي يبذلها الجسم للمحافظة على وضعه من السكون أو الحركة يعتمد على مقدار كتلته , لذا يكون التناسب طردياً بين الكتلة والقوة المطلوبة للمحافظة على الوضع أو تغيير الوضع الحركي للجسم . 

من هنا جاء التقسيم لفعاليات رياضية مثل رفع الأثقال والمصارعة والملاكمة وغيرها من الألعاب والفنون القتالية حسب الفئات الوزنية . حيث إن الكتلة تلعب دوراً حاسماً في كل الفعاليات الرياضية , ففي الجيمناستك يكون هدف القوة بإتجاه التغلب على وزن جسم اللاعب , لذا من الضروري على لاعبي الجيمناستك الحفاظ على ثبات كتلتهم مع العمل على تطوير القوة بإتجاه التغلب على وزنهم أو القصور الذاتي لأجسامهم . 

2 – الحالة الحركية للجسم , حيث إن الجسم الساكن يحتاج لقوة أكبر للتغلب على قصوره الذاتي من الجسم المتحرك أي أن تغيير الحالة الحركية للجسم المتحرك يكون أسهل من الجسم الساكن .

يمكن للمدرب أن يوظف هذه التطبيقات في زيادة السرعة أو التغيير في التعجيل أثناء العمل حيث يكون له أثر كبير في إحداث تطور بدني مع مراعاة المسارات الحركية , وبما أن كتلة الرياضي ثابتة فإن تغيير السرعة هو المطلوب كجانب تدريبي في هذا الجانب , مثال ذلك تنفيذ الركلات الثابتة والمتحركة في كرة القدم . 

3 – يتمثل العامل الثالث بمساحة قاعدة الإرتكاز التي ينطلق منها الجسم لتنفيذ الواجب الحركي , والتناسب طردياً بين مساحة قاعدة الإرتكاز ومقدار القصور الذاتي للجسم , لذا نرى المصارع يحافظ على الوقوف بقاعدة واسعة للمحافظة على الإستقرار العالي وخصوصاً أثناء الإشتباك مع المنافس , كذلك الملاكم فإن وقفته الإستعدادية تكسبه فائدة كبيرة لتفادي السقوط بسهولة . إن القاعدة الواسعة والمتوازنة للجسم تمنع من خروج مركز ثقله خارج قاعدة الإرتكاز وتحدد زاوية سقوطه وهو من العوامل المهمة التي تحدد مقدار القصور الذاتي للجسم . 

4 – إرتفاع مركز ثقل الجسم هو من العوامل التي تحدد مقدار القصور الذاتي وتكون العلاقة عكسية , حيث إن زيادة إرتفاع مركز ثقل الجسم يقلل من قصوره الذاتي , إما إنخفاض مركز ثقل الجسم فيزيد من القصور الذاتي , نلاحظ أن الأطفال تكون خطواتهم غير مستقرة بسبب إرتفاع مركز ثقل أجسامهم بالنسبة لأطوالهم . 

5 – تعد طبيعة الأرض من العوامل المؤثرة في القصور الذاتي للجسم , لكي نتغلب على القصور الذاتي لجسم على سطح أملس نحتاج لقوة أقل مما لو كان السطح خشناً أو متعرجاً . إن ذلك يتضح من خلال ممارسة فعاليات رياضية مختلفة على أرضيات مختلفة مثل لعب كرة القدم على ( التارتان , العشب , الإسفلت , الرملية ) وعلى كل نوع من أنواع تلك الأرضيات يشعر اللاعب بالفرق نتيجة إختلاف خشونته .  

القانون الثاني : قانون التعجيل :

ينص هذا القانون على : ( يتناسب تعجيل الجسم طردياً مع مقدار القوة المؤثرة عليه وتكون الحركة بإتجاه القوة ) . أي إن القوة = الكتلة x التعجيل 

من المعروف أن الحركة عبارة عن ناتج التأثير المتبادل بين القوة الداخلية والقوى الخارجية أي أن هناك عملية فعل و رد فعل – كما سنتناولها في القانون الثالث – وهذا يتحدد من خلال كون القوة الداخلية هي قوة العضلات التي تعمل على إنتاج حركة الجسم خلال أداء المهارات الرياضية , ويتناسب التغير في كميـــة الحركـــــة ( الزخم ) طردياً مع القوة المؤثرة وهذا هو الأساس في الإنجاز الرياضي وتنظيم العمليات التدريبية . 

من الملاحظ أن كتلة الرياضي تلعب دوراً هاماً في الأداء الحركي لاسيما في الفعاليات التي تلعب فيها الكتلة دوراً حاسماً في تحقيق الإنجاز مثل المصارعة والملاكمة والكثير من الفعاليات الأخرى حتى في الأركاض فإن القوة المنتجة من قبل الرياضي تتناسب مع مقدار كتلته . 

من خلال هذا القانون فإن عمليات التدريب يجب أن تتم بإستخدام الأوزان ضمن شكل المسارات الحركية والمحافظة عليها مثل تدريب المصارعين مع خصوم أكبر من وزنهم أو إستخدام أدوات رمي أثقل في فعاليات الساحة والميدان . 

وإن ثبات كتلة الرياضي يقابله زيادة القوة الموضوعة لزيادة سرعة الأداء وهو مهم في خدمة الاداء الفني خاصة في الفعاليات التي تتطلب السرعة في الأداء مثل الأركاض القصيرة . 

القانون الثالث : قانون الفعل و رد الفعل :

ينص هذا القانون على أن : ( لكل عزم قوة مؤثر عزم قوة آخر مساوي له ومعاكس بالإتجاه ويحدث في نفس اللحظة ) ^([8]). 

وبصيغة أخرى : ( إن القوة في الحركات الدورانية تعمل على شكل عزم دوران , فإذا بذل جسم عزم على جسم آخر فإن الأخير يرد بعزم مساوي له وفي عكس الإتجاه ) ^([9]) . 

فالقوة التي تسبب تغير في كمية الحركة الزاوية لابد وأن يكون لها قوة مساوية ومضادة لها في الإتجاه تسبب تغير كمية حركة زاوية مساوية لها وفي عكس الإتجاه . ويظهر تطبيق ذلك في الكثير من الفعاليات الرياضية ففي القفز العالي فإن عملية إرجاع الرأس إلى الخلف فوق العارضة يؤدي إلى رفع القدمين فوق العارضة كرد فعل . 

وكذلك في الموانع فإن عملية ثني الجذع تؤدي إلى أن تتجه الساق القائدة بإتجاه الجذع كرد فعل , كما موضح في الشكل رقم (2) . 

شكل رقم (2) يوضح مرحلة ثني الجذع للحصول على رد فعل الساق القائدة