חוקי ניוטון: כוח, מסה ותאוצה

מדעים · לכיתות ח׳–ט׳

ב־1687 פרסם אייזק ניוטון ספר שבו שלושה חוקים פשוטים מסבירים כמעט כל תנועה סביבנו: כדור שמתגלגל, מכונית שבולמת וטיל שממריא. בשיעור נכיר את שלושת החוקים ונראה איך הם עוזרים לשמור עלינו בכביש.

החוק הראשון: חוק ההתמדה

גוף שנמצא במנוחה יישאר במנוחה, וגוף שנע יימשיך לנוע באותה מהירות ובאותו כיוון — כל עוד לא פועל עליו כוח שקול. התכונה הזאת של גופים, ״להתעקש״ להמשיך במה שהם עושים, נקראת התמדה.

במשך אלפי שנים חשבו אנשים, בעקבות אריסטו, שגוף נעצר מעצמו אם לא דוחפים אותו. גלילאו וניוטון הבינו שהוא נעצר בגלל כוחות כמו חיכוך והתנגדות האוויר. בחלל, שבו כמעט אין חיכוך, חללית שכבתה את המנועים ממשיכה לנוע במשך שנים.

את ההתמדה מרגישים באוטובוס: כשהוא בולם פתאום, הגוף שלנו ממשיך קדימה. בגלל זה חגורת בטיחות מצילה חיים — היא מפעילה על הגוף את הכוח שעוצר אותו יחד עם המכונית, במקום שייעצר בפגיעה בהגה או בשמשה.

החוק השני: כוח, מסה ותאוצה

תאוצה היא שינוי במהירות — האצה, האטה או שינוי כיוון. החוק השני קובע שהתאוצה של גוף גדלה ככל שהכוח השקול עליו גדול יותר, וקטנה ככל שהמסה שלו גדולה יותר. בנוסחה: F = m·a, כוח שווה למסה כפול תאוצה.

הכוח נמדד ביחידה ניוטון. כוח של ניוטון אחד מאיץ מסה של קילוגרם אחד בתאוצה של מטר לשנייה בכל שנייה. לכן קל יותר לדחוף עגלת סופר ריקה מעגלה מלאה: לאותו כוח, למסה הקטנה יש תאוצה גדולה יותר. ומשאית צריכה מנוע חזק הרבה יותר ממכונית קטנה כדי להאיץ באותו קצב.

החוק השלישי: פעולה ותגובה

כשגוף אחד מפעיל כוח על גוף שני, הגוף השני מפעיל על הראשון כוח שווה בגודלו והפוך בכיוונו. הכוחות האלה תמיד באים בזוגות, ופועלים על שני גופים שונים.

שחיין דוחף את המים אחורה, והמים דוחפים אותו קדימה. כשקופצים מסירה אל המזח, הסירה נדחפת אחורה. טיל פולט גזים במהירות עצומה כלפי מטה, והגזים דוחפים את הטיל כלפי מעלה — וזה עובד גם בחלל, שבו אין אוויר ״להישען״ עליו. גם כשאתם עומדים, אתם לוחצים על הרצפה, והרצפה לוחצת עליכם בחזרה.

מסה ומשקל

בחיי היומיום מבלבלים בין מסה למשקל, אבל בפיזיקה אלה שני דברים שונים. מסה היא כמות החומר בגוף, והיא נמדדת בקילוגרם. היא זהה בכל מקום — בכדור הארץ, על הירח או בחלל.

משקל הוא הכוח שבו כדור הארץ, או גוף שמימי אחר, מושך את הגוף. הוא נמדד בניוטון ושווה למסה כפול תאוצת הנפילה, שעל כדור הארץ היא כ־9.8 מטר לשנייה בכל שנייה. ילד שמסתו 40 קילוגרם שוקל על כדור הארץ כ־392 ניוטון. על הירח, שבו כוח המשיכה חלש פי שישה בערך, המסה שלו תישאר 40 קילוגרם, אבל המשקל יהיה רק כ־65 ניוטון — והוא יוכל לקפוץ גבוה הרבה יותר.

✅ חידון: חוקי ניוטון: כוח, מסה ותאוצה

1. מה אומר החוק הראשון של ניוטון?

2. למה הנוסעים נזרקים קדימה כשאוטובוס בולם?

3. מה הנוסחה של החוק השני?

4. אותו כוח פועל על עגלה ריקה ועל עגלה מלאה. לאיזו תהיה תאוצה גדולה יותר?

5. איך טיל ממריא גם בחלל, שבו אין אוויר?

6. מה ההבדל בין מסה למשקל?

7. מה יקרה למסה של אסטרונאוט על הירח?

8. באיזו יחידה מודדים כוח?

🖨️ דף עבודה להדפסה

8 שאלות, שאלות לחשיבה ודף תשובות עם הסברים.

💬 שאלות לשיחה

  1. הסבירו בעזרת חוקי ניוטון למה חייבים לחגור חגורת בטיחות גם בנסיעה קצרה.
  2. כשאתם הולכים, אתם דוחפים את הרצפה אחורה. מה דוחף אתכם קדימה? מה היה קורה על קרח חלק?
  3. למה לדעתכם משאית טעונה צריכה מרחק בלימה ארוך יותר ממכונית פרטית?

📖 קטע קריאה בנושא: 🚗 הפיזיקה של חגורת הבטיחות

לניסוי הזה צריך מכונית צעצוע, דמות קטנה , קרש שישמש וספר עבה. מניחים את הדמות על המכונית בלי להצמיד אותה, משחררים את המכונית מראש , והיא נוסעת ישר אל הספר.

המכונית נעצרת בבת אחת כשהיא פוגעת בספר — אבל הדמות לא. היא ממשיכה לעוף קדימה ונוחתת הרחק מהמכונית. עכשיו חוזרים על הניסוי, אבל הפעם קושרים את הדמות למכונית בגומייה. המכונית שוב נעצרת, והדמות נשארת במקומה.

את מה שראינו הסביר אייזק ניוטון כבר במאה ה־17, בחוק הראשון שלו, : גוף שנמצא בתנועה ממשיך לנוע באותה מהירות ובאותו כיוון, כל עוד לא פועל עליו כוח שמשנה את תנועתו. הספר הפעיל כוח על המכונית ועצר אותה. על הדמות לא פעל כוח כזה, ולכן היא המשיכה לנוע קדימה במהירות שהייתה לה רגע לפני הפגיעה.

אותו דבר בדיוק קורה במכונית אמיתית. כשמכונית שנוסעת במהירות של 50 קמ״ש נעצרת פתאום בתאונה, הנוסעים ממשיכים לנוע קדימה ב־50 קמ״ש, עד שמשהו עוצר אותם: ההגה, או המושב שלפניהם. חגורת הבטיחות היא ה״גומייה״ שבניסוי — היא מפעילה על הנוסע כוח שעוצר אותו יחד עם המכונית.

כאן נכנס לתמונה גם החוק השני של ניוטון: הכוח שדרוש כדי לעצור גוף תלוי שלו — כמה מהר משתנה המהירות שלו. אם עוצרים את אותו נוסע בזמן ארוך יותר, קטנה יותר, ולכן גם הכוח שפועל עליו קטן יותר. לכן כריות אוויר מתנפחות מול הנוסע: הן מאריכות את זמן העצירה בחלקיקי שנייה, וזה מקטין את הכוח שפועל על הגוף.

זו גם הסיבה שילדים יושבים במושב בטיחות או בכיסא . החגורה הרגילה מתוכננת לגוף של מבוגר, ובלי הגבהה היא עלולה לעבור על הצוואר ועל הבטן במקום על העצמות החזקות של הכתף .

📖 מילון הקטע
  • פלסטלינה — חומר רך לפיסול
  • מדרון — שטח משופע
  • חוק ההתמדה — גוף ממשיך בתנועתו עד שכוח משנה אותה
  • שמשה — החלון הקדמי של המכונית
  • מסה — כמות החומר בגוף
  • תאוצה — קצב השינוי של המהירות
  • מגביה — שמרים את הילד למעלה
  • אגן — העצמות שבין הבטן לרגליים

שאלות

1. מה קרה לדמות שלא הייתה קשורה כשהמכונית פגעה בספר?
2. מה קובע חוק ההתמדה?
3. מה מייצגת הגומייה בניסוי?
4. למה כריות אוויר מקטינות את הכוח שפועל על הנוסע?
5. למה ילדים צריכים כיסא מגביה?
6. הסבירו בעזרת החוק הראשון של ניוטון למה נוסע לא חגור ממשיך לנוע קדימה בתאונה.

עוד שיעורים במדעים

לכל 60 השיעורים במדעים ←

חוברת ומבחן לדוגמה לכיתה

שאלות נפוצות

האם באמת נפל תפוח על ראשו של ניוטון?

לפי עדויות מתקופתו, ניוטון סיפר שראה תפוח נופל בגינה וזה גרם לו לחשוב על כוח המשיכה. הסיפור שהתפוח נפל על ראשו הוא כנראה תוספת מאוחרת.

אם כוח הפעולה והתגובה שווים, למה הם לא מבטלים זה את זה?

כי הם פועלים על גופים שונים. כשבועטים בכדור, הרגל דוחפת את הכדור, והכדור דוחף את הרגל. כל כוח משפיע על גוף אחר, ולכן הכדור עף.

מה זה כוח שקול?

זה הכוח הכולל, אחרי שמחברים את כל הכוחות שפועלים על הגוף ומתחשבים בכיוונים שלהם. אם שני ילדים מושכים חבל בכוח שווה לצדדים הפוכים, הכוח השקול הוא אפס.

שווה להסתכל גם על מדע וטכנולוגיה, ולומדים.

האם זה עזר?
חדש בעוגה בוגה: מבקשים — ואנחנו מכינים ✨חסר לכם דף עבודה, חוברת או משחק? ספרו לנו, בחינם.
לבקשת דף ←או בוואטסאפ