نيوتن
وحدة دولية مشتقة · المقدار: القوة
01 · التعريف
القوة التي تكسب كتلة مقدارها كيلوغرام واحد تسارعًا مقداره متر واحد في الثانية كل ثانية. مقدار متواضع: بمثل هذه القوة تقريبًا تضغط تفاحة متوسطة على راحة اليد.
يكرّر التعريف قانون الحركة الثاني مباشرة، ولذلك لا يحتاج إلى معيار مادي ولا إلى منصة معايرة: النيوتن محدَّد تمامًا بالكيلوغرام والمتر والثانية. ومن هنا أيضًا يأتي الالتباس الذي جاءت الوحدة لتزيله. الكتلة صفة للجسم لا تتغير في أي مكان من الكون؛ أما الوزن فهو القوة التي يضغط بها الجسم على مسنده، وهو يتوقف على موضع الجسم. يبقى الكيلوغرام كيلوغرامًا على القمر أيضًا، لكن النيوتنات هناك تصير أقل ست مرات. وما دام المقداران يُسمَّيان كيلوغرامًا، كان لا بد من تذكّر الفرق؛ أما النيوتن فقد أخرجه إلى الرمز.
الحركة المنتظمة لا تحتاج قوة: عربة لا يكبحها شيء تسير من تلقاء نفسها. تلزم النيوتنات لتغيير السرعة أو لمنع جسم من السقوط. نيوتن واحد يبلغ بالكيلوغرام مترًا في الثانية خلال ثانية، وعشرة نيوتنات تسرّع الكيلوغرام نفسه عشرة أضعاف، أو تسرّع عشرة كيلوغرامات بالوتيرة نفسها — ففي القانون الثاني تتساوى الكتلة والتسارع.
02 · التحويل
النيوتن والكيلوغرام-قوة والرطل-قوة
جميع المعاملات دقيقة بحكم التعريف: الكيلوغرام-قوة والرطل-قوة محددان بتسارع الجاذبية المعياري، والداين بالسنتيمتر والغرام.
الكيلوغرام-قوة معرَّف بأنه وزن كيلوغرام عند تسارع الجاذبية المعياري، 9,806 65 متر في الثانية المربعة. الرقم اصطلاحي: التسارع الفعلي يتراوح من 9,78 عند خط الاستواء إلى 9,83 عند القطب، فالصنجة نفسها تضغط على الميزان في كيتو غير ما تضغط في مورمانسك. لذلك تُعاير الموازين الصناعية في موضع تركيبها.
| الوحدة | الاسم | القيمة | أين ترد |
|---|---|---|---|
| N | نيوتن | 1 | الكتابة الأساسية للقوة في النظام الدولي |
| kN | كيلونيوتن | 0,001 | البناء، الدفع، الأحمال |
| MN | ميغانيوتن | 1·10⁻⁶ | الصواريخ، المكابس، الجسور |
| mN | ميلينيوتن | 1 000 | قياسات المختبر |
| µN | ميكرونيوتن | 1·10⁶ | الميكانيكا الدقيقة، الشراع الشمسي |
| kgf | كيلوغرام-قوة | 0,101972 | وزن الكيلوغرام عند g₀ |
| gf | غرام-قوة | 101,972 | موازين الصيدليات والمختبرات |
| tf | طن-قوة | 0,000101972 | الرافعات ودفع المحركات في الكلام الدارج |
| lbf | رطل-قوة | 0,224809 | التقنية الناطقة بالإنجليزية |
| ozf | أونصة-قوة | 3,59694 | قوى صغيرة، زنبركات |
| داين | داين | 100 000 | نظام CGS، فيزياء القرن التاسع عشر |
| باوندال | باوندال | 7,23301 | النظام المطلق الإنجليزي |
| sn | ستين | 0,001 | نظام MTS، فرنسا 1919–1961 |
يُحسب الوزن عند تسارع الجاذبية المعياري 9,806 65 m/s²؛ والتسارع لكتلة مقدارها طن واحد.
03 · رتب المقادير
من ذرة الغبار إلى صاروخ ينطلقنيوتن واحد — تفاحة في راحة اليد
04 · أجهزة القياس
بم تُقاس القوة
أقصر الطرق: قانون هوك يربط الاستطالة بالقوة ربطًا خطيًا، ويمكن تدريج المقياس بالنيوتن مباشرة. تحدّ من الدقة الظاهرة المرنة اللاحقة في الزنبرك ودرجة الحرارة، ولذلك بقي الجهاز في الإنتاج أداة قياس تقريبية.
الشبكة الملصقة على العنصر المرن تتمدد مع المعدن، فتتغير مقاومتها بأجزاء من المئة. ودارة الجسر تحوّل ذلك إلى جهد — وهكذا تعمل كل الموازين التجارية والصناعية، من ميزان المطبخ إلى ميزان العربات.
تحقّق معاهد القياس الوطنية النيوتن بأثقال معلومة الكتلة معلّقة في حقل جاذبية قيس تسارعه. وتبلغ أكبر المنشآت عدة ميغانيوتنات، وعليها تُعاير حساسات مختبرات الاختبار.
الكوارتز تحت الحمل يولّد الشحنة بنفسه، والاستجابة تلاحق صدمة تدوم ميكروثوانٍ. بهذه الحساسات تُقاس قوة القطع والارتداد واختبارات التصادم؛ أما الحمل الساكن فلا تحتفظ به — إذ تتسرب الشحنة.
05 · قواعد الكتابة
حرف N كبير بلا نقطة
الرمز مشتق من اسم عائلة، ولذلك يُكتب بحرف كبير، بينما يُكتب اسم الوحدة في النص بحرف صغير: نيوتن، لكن N. والرمز الروسي هو Н، ويسهل خلطه في نص مختلط بالحرف اللاتيني H الذي يدل على الهنري. ويوضع بين العدد والرمز فراغ غير قابل للكسر.
تُكتب السابقة كيلو بحرف صغير: kN لا KN. ويُعبَّر عن عزم القوة بالنيوتن-متر، ومع أن بعده هو بعد الجول نفسه، لا يجوز إحلال أحدهما محل الآخر: الشغل والعزم مقداران مختلفان. وقد كان الكيلوغرام-قوة والطن-قوة مقبولين في التقنية حتى الثمانينيات، ويردان في الرسوم والأدلة القديمة، ولم تعد المواصفة ISO 80000-4 توصي بهما.
06 · الوحدات المجاورة
يقف النيوتن عند جذر شجيرة كاملة من الوحدات المشتقة: اقسمه على مساحة يخرج الباسكال، واضربه في مسافة يخرج الجول.
نيوتن لكل متر مربع
قوة
نيوتن-متر من الشغل
في بطاقات Simetrium المجاورة: باسكال للضغط، جول للشغل، واط للقدرة و كيلوغرام — الوحدة الأساسية التي يُعرَّف بها النيوتن. ومن الوحدات خارج النظام يقف إلى جانبه رطل-قوة و قدم-رطل، وكلاهما حي في التقنية الناطقة بالإنجليزية.
07 · القسم التاريخي
بم كانت تُقاس القوة قبل النيوتن
صيغ قانون الحركة الثاني بلا أي وحدة للقوة: كان نيوتن يكتب عن النسب لا عن الأعداد. ولم تصر الحاجة إلى قياس القوة بشيء محدد إلا مع مجيء الآلات والحسابات الهندسية.
كان المهندسون يحسبون بالكيلوغرام-قوة — وزن صنجة تدركه العين. أما الفيزيائيون ففضّلوا نظام سنتيمتر-غرام-ثانية مع الداين، وهو أصغر من النيوتن بمئة ألف مرة. وكان لا بد من تحويل حسابات معسكر ليفهمها الآخر.
أقرّ المؤتمر العام التاسع للأوزان والمقاييس اسم النيوتن للقوة التي تبلغ بالكيلوغرام مترًا في الثانية خلال ثانية. وفي عام 1960 دخلت الوحدة النظام الدولي مع سائر الوحدات المشتقة.
خرج الكيلوغرام-قوة من الوثائق وبقي في الكلام: ما زال دفع المحرك يُذكر بالأطنان وقوة المكبس بالكيلوغرامات. والميزان الزنبركي في المتجر يُظهر الكتلة وإن كان يقيس القوة، ويُضبط على تسارع الجاذبية المحلي.
لا يمكن تحقيق النيوتن بمعيار مادي — بل بالحساب وحده
كان للكيلوغرام معيار مادي، وللمتر خط على مسطرة من البلاتين؛ أما النيوتن فليس له، ولا يمكن أن يكون له، جسم نموذج. الوحدة معرَّفة بثلاث وحدات أساسية وتُحقَّق بالحساب: يُعلَّق ثقل معلوم الكتلة ويُضرب في تسارع الجاذبية المقيس في موضع التركيب بدقة أجزاء من المليون. ومن هنا خاصية قياس القوة: المعيار الوطني للقوة مرتبط بنقطة جغرافية. ونقل الآلة إلى مدينة أخرى يعني إعادة قياس التسارع المحلي، لأنه يتغير مع خط العرض والارتفاع، بل ومع كثافة الصخور تحت الأساسات. جبل ارتفاعه مئتا متر بجوار المختبر يزيح النتيجة في الخانة السادسة. أما الميزان ذو الذراعين فلا يعرف هذا الهمّ أصلًا: فهو يقارن الكتل، وتُختصر الجاذبية في الكفتين معًا — ولهذا كان الوزن أقدم من قياس القوة بآلاف السنين.
الدليل · وحدات القياس
بطاقة لكل مقدار
سبع وحدات أساسية في النظام الدولي، واثنتان وعشرون وحدة مشتقة لها أسماء خاصة، ووحدات خارج النظام لا تستغني عنها التقنية ولا الحياة اليومية. لكل وحدة ورقتها: التعريف، التحويل، الأجهزة، قواعد الكتابة. بـ 32 لغة.
وحدات دولية مشتقة لها أسماء خاصة
بطاقة النيوتن مفتوحةالوحدات الأساسية في النظام الدولي
باللون الطيني — الكيلوغرام والمتر والثانية، وبها يتركب النيوتنوحدات خارج النظام
باللون الطيني — وحدات القوة في أنظمة أخرىلغة البطاقة
32 لغة. الرمز N دولي، والاسم يتبع اسم العائلة ولذلك يتغير قليلًا: newton, Newton, ньютон, ニュートン.