இயக்க விதிகள் (Laws of Motion)

இயக்க விதிகள் (Laws of Motion)
கண்டுபிடித்தவர்: சர் ஐசக் நியூட்டன்
காலம்: 1687

சர் ஐசக் நியூட்டனின் மூன்று இயக்க விதிகளும் இயற்பியல் என்னும் அறிவியலின் அடிப்படை விதிகளில் தலையானவையாகக் கருதப்படுகின்றன. இவற்றை அடித்தளமாகக் கொண்டு தான் ஐன்ஸ்டீன் உட்படப் பலரும் அறிவியல் மாளிகைகளைக் கட்டி எழுப்பி இருக்கின்றனர். எனவே நியூட்டனின் இந்தக் கண்டுபிடிப்பு இன்னும் எத்தனை ஆண்டுகளானாலும் தவிர்க்கவோ மறக்கவோ முடியாத ஒன்றாகிவிட்டது.

குடும்பத்தினருடன் ஒட்டி உறவாடாமல் William Ayscough என்போரின் அரவணைப்பில் பல்கலைக்கழகத்தில் சேர்ந்த ஐசக் நியூட்டன், நகரங்களில் பரவிய பிளேக் நோயின் காரணமாக தன் சகோதரியின் கிராமப்புறப் பண்ணை வீட்டில் வாழ்ந்தார் என்று ஏற்கனவே கண்டோம். பொருட்கள் அசைவதற்கும், அசையாமல் இருப்பதற்கும் காரணங்களையும், அவற்றின் வேகம், உந்தம், இயக்க விசைகள் பற்றிக் கணிதச் சமன்பாடுகளையும் அதுவரை யாரும் கண்டறியாததால் அவரது பல கேள்விகளுக்கு விடைகாண முடியாமல் இருந்தது.

நியூட்டன் அரிஸ்டாட்டில், கலிலியோ, கெப்ளர் மற்றும் ஹாலி ஆகியோரின் அறிவியல் புத்தகங்களை ஊன்றிக் கற்றார். அவர்களின் பொது உண்மைகளையும் தவறுகளையும் தனித்தனியே பிரிக்கும் பணியைச் செய்தார். 

நியூட்டனும் ஐன்ஸ்டீனும் அறிவியல் விஞ்ஞானிகளில் வித்தியாசமானவர்கள் எனலாம். சோதனைகள் மூலம் தங்கள் கருத்துகளை நிலைநாட்டவில்லை. பிரச்னையை மனதுக்குள் போட்டுப் பூட்டி விட்டு ஆற அமர யோசிப்பது இவரது செயல்பாடு ஆகும். தனக்குத் தேவையான பதில் கிடைக்கும் வரை மனதுக்குள்ளேயே சோதனை செய்து பார்க்கும் முறையைக் கையாண்டார். வெளியிலிருக்கும் உலகத்தின் கேள்விகளுக்குத் தனக்குள்ளேயே பதில் தேடும் முயற்சி தான் இது. அவரது வார்த்தைகளில் சொல்வதானால், “தொடர்ந்து நமக்கு முன்னால் கேள்விகளை வைத்துக் கொண்டு, பதிலின் மேல் மூடியிருக்கும் திரை விலகி, பதில் மெல்ல மெல்லத் தெரியும் வரை” மனச் சோதனைகளில் ஈடுபட்டாராம்.

விசையால் இயக்கத்தை எவ்வாறு/எவ்வளவு உருவாக்க முடிகின்றது என்பதைச் சோதனை செய்வதில் தான் அவருக்கு அளவு கடந்த ஈடுபாடு இருந்தது. கலிலியோவின் கீழே விழும் பொருட்களின் விதிகளையும், கெப்ளரின் கோளியக்க விதிகளையும் கருத்தில் கொண்டு, ராப்பகலாகப் பட்டினி கொண்டு மயங்கிப் போகும் நிலைக்குக் கூடச் சென்றிருக்கின்றார் நியூட்டன்.

விளைவு: நியூட்டன் கண்டறிந்த இயக்க விதிகள். 

விதி 1: வெளிவிசையொன்று செயல்பட்டு மாற்றும் வரை எந்த ஒரு பொருளும் தனது ஓய்வு நிலையையோ அல்லது நேர்க்கோட்டில் அமைந்த சீரான இயக்க நிலையையோ மாற்றிக் கொள்ளாமல் தொடர்ந்து அதே நிலையில் இருக்கும்.

விதி 2: ஒரு பொருளின் மீது செயல்படும் விசைகள் சமன் செய்யப்படாத பொழுது பொருளின் மீது ஏற்படும் விளைவை நியூட்டனின் இரண்டாவது இயக்க விதி விளக்குகிறது. இவ்விதியின்படி, பொருளின் உந்தம் மாறுபடும் வீதம் அதன்மீது செயல்படும் விசைக்கு நேர் தகவில் இருக்கும். உந்தம் மாறுபடும் திசை, விசையின் திசையை ஒத்ததாக இருக்கும்.

விதி 3: ஒரு பொருளின் மீது செயல்படும் ஒவ்வொரு புறவிசைக்கும் அவ்விசைக்கு சமமானதும், எதிர் திசையிலும் அமைந்த எதிர் விசையை அப்பொருள் தருகிறது.

1666லேயே இந்த மூன்று விதிகளையும் நிறுவிவிட்டார் நியூட்டன். நுண்கணிதம் (calculus - நன்றி தொழில்நுட்பம் இணையதளம்) என்னும் புதிய கணித முறையைக் கண்டறிவதற்கும், புவி ஈர்ப்பைக் கண்டறிவதற்கும் இவ்விதிகள் அடிப்படையாகத் துணை நின்றன. ஆனாலும் ஹாலியின் தொடர்ந்த வலியுறுத்தலால் 20 ஆண்டுகள் கழித்து தன் Principia என்னும் நூலை வெளியிடும் வரை இந்த விதிகளை நியூட்டன் வெளியில் சொல்லவே இல்லை! 

1684ல் Jean Picard என்னும் அறிஞர் முதன் முதலில் புவியில் அளவையும், நிறையையும் துல்லியமாகக் கணித்தார். இந்த எண்களின் மூலம் நியூட்டனால், புவி ஈர்ப்பு விசை, கோள்களின் பாதைகள் ஆகியவற்றைத் தனது விதிகளின் மூலமும், கணிதச் சமன்பாடுகள் மூலமும் துல்லியமாகக் கணக்கிட முடிந்தது. இருந்தாலும் 1687ல் தனது Principia புத்தகத்தின் மூலமாக ஹாலி மன்றாடிக் கேட்டுக் கொண்டதாலேயே வெளியிட்டார்!

ராபர்ட் ஹூக் தானே இயக்கவிதிகளைக் கண்டறிந்ததாகத் தவறாகப் பறை சாற்றிக் கொண்டிருந்ததாலேயே நியூட்டன் இவ்விதிகளை வெளியிடவில்லை. ஆனாலும் உண்மை என்றும் வெளிவராமல் இருக்காது என்பதாலும், பொய்யால் வெகுகாலம் தாக்குப்பிடிக்க முடியாது என்பதாலும் நியூட்டனின் புத்தகம் இன்று வரை அறிவியல் ஆர்வலர்கள் படிக்கக் கூடிய முக்கிய புத்தகங்களில் ஒன்றாக விளங்குகின்றது.

இரண்டாவது விதியின் சிறிய விளக்கம்:

உந்தம் என்றால் ஒரு பொருளின் வேகமாற்றம்/நகர்வு/இயக்கம் எனலாம். அதாவது நகர்ந்து கொண்டிருக்கும் ஒரு பொருளை நகரவிடாமல் நிற்கச் செய்ய அதன் மீது ஒரு சக்தியைப் பிரயோகிக்க வேண்டுமல்லவா? அதன் அளவு தான் உந்தம். அல்லது நகராமல் நிற்கும் பொருள் நகர்வ‌தும் உந்தமே. ஆங்கிலத்தில் acceleration எனப்படுகின்றது. ராக்கெட் உந்திச் செல்கின்றது என்று கூறுகின்றோம் அல்லவா?

விதி 2: ஒரு பொருளின் மீது செயல்படும் விசைகள் சமன் செய்யப்படாத பொழுது பொருளின் மீது ஏற்படும் விளைவை நியூட்டனின் இரண்டாவது இயக்க விதி விளக்குகிறது. இவ்விதியின்படி, பொருளின் உந்தம் மாறுபடும் வீதம் அதன்மீது செயல்படும் விசைக்கு நேர் தகவில் இருக்கும். உந்தம் மாறுபடும் திசை, விசையின் திசையை ஒத்ததாக இருக்கும்.

இரண்டாவது விதியை இப்போது எடுத்துக்காட்டுடன் விளக்குவோம்.

ஒரு வண்டி அசையாமல் நின்று கொண்டிருக்கின்றது. இப்போது அந்த வண்டியைப் பின்னால் இருந்து இன்னொரு வண்டி மோதுகின்றது என்று வைத்துக் கொள்வோம். அப்போது மோதலின் காரணமாக நிற்கும் வண்டியின் வேகம் மாறுபடும் தானே? அந்த வேக மாற்றமும் திசையும் எவ்வாறு இருக்கும் என்பதே இரண்டாவது விதி. அந்த வேகமாற்றமானது மோதிய விசையின் நேர் தகவில் (direct proportion) இருக்கும். அதாவது மோதிய வண்டி மிக வேகமாக மோதினால், நின்று கொண்டிருந்த வண்டியின் வேகமாற்றமும் அதிகமாக இருக்கும். மோதிய வண்டி மெதுவாக மோதினால் நின்று கொண்டிருக்கும் வண்டியும் மெதுவாகவே நகரும். திசை (direction) செயல்படும் விசை எந்தத் திசையில் இருக்கின்றதோ அதே திசையில் இருக்கும். அதாவது மோதிய வண்டி எந்தத் திசையில் சென்று கொண்டிருக்கின்றதோ அதே திசையில் தான் மோதப்பட்ட வண்டியும் நகர ஆரம்பிக்கும்.

அதே சமயத்தில், நின்று கொண்டிருக்கும் வண்டியின் நிறையும் முக்கியமானது ஆகும். நிறை அதிகமாக அதிகமாக அதன் மேல் மோதும் வண்டி மிக வேகமாகவோ அல்லது அதன் நிறையும் அதிகமாக இருந்தாலோ மட்டுமே நின்று கொண்டிருக்கும் வண்டியின் மீது பாதிப்பு ஏற்படும். இதைத் தான் "ஒரு பொருளின் மீது செயல்படும் விசைகள் சமன் செய்யப்படாத பொழுது" என்னும் வார்த்தைகள் குறிக்கின்றன. அதாவது பொருள்களின் வேகமாற்றமானது நிகர விசையால் ஏற்படும். (net force). சுருக்க‌மாகச் சொன்னால், நின்று கொண்டிருப்பது ஒரு லாரி என்றும், வந்து மோதுவது ஒரு ஈ என்றும் வைத்துக் கொண்டால், அதனால் லாரியின் வேகத்தில் ஏதும் மாற்றம் ஏற்படாது. காரணம், லாரியின் மீது செயல்படும் ஈயின் விசை யாவும் லாரியின் அதிகப்படியான‌ நிறையால் சமன்செய்யப்பட்டு விட்டன!

இதுவே மிகவும் பிரபலமான F=ma என்னும் விசை = நிறை * வேகமாற்றம் Force = mass * acceleration என்னும் சமன்பாட்டை உருவாக்கியது.