قوانين الحركة في الفيزياء

  • قوانين الحركة في الفيزياء

     قوانين الحركة The Law's of Motion : 


    - إن ما تعلمناه حول موضوع الحركة وما يتعلق بها مثل الإزاحة  والسرعة والتسارع  يعرف بالكينماتيكا  (Kinematics) أوعلم الحركة دون الاعتبار لمسبب الحركة وهو أحد فروع علم الميكانيكا (Mechanics)، وهناك فرع آخر من الميكانيكا يُعنى بدراسة أسباب الحركة وتغيُّر أشكالها أو تغيُّر أحد الأمور المتعلقة بها كالسرعة ويعرف بالديناميكا (Dynamics) أو علم التحريك.

    - لذا سنقوم في هذا المقال بدراسة القوة باعتبارها مسبباً للحركة، وسنشرح قوانين نيوتن التي تمكننا من وصف الحركة، وسنتطرق إلى حالات معينة للحركة مثل الحركة على الأسطح الخشنة والقوة المركزية وغيرها من المواضيع.

    - إن التأثير بقوة في حياتنا اليومية أمر متكرر، فعندما ندفع سيارة معطلة أو نرفع أثقالاَ، فالذي يسبب حركتها القوة التي أثرنا بها على الجسم، إن التأثير بقوة ما ليس بالضرورة أن يرافقه حركة فعندما ندفع حائطاً فإنه لا يتحرك مع العلم أننا نؤثرعليه بقوة، لأن هناك قوى أخرى تؤثر فيه كوزنه وارتباطه بالأرض. 

    - القوة (Force): أي مسبب يعمل على تغيير الحالة الحركية للجسم. فإذا تغيرت الحالة الحركية للجسم فبالتأكيد أن هناك قوة أثرت عليه.

    ومن الجدير بالذكر أن القوى تنقسم إلى نوعين رئيسين حسب طريقة تأثيرها:

    1. قوى المجال (Field Forces): يكون تأثير القوى متبادلاً عن بعد من غير تلامس أو اتصال، ومثالها قوة الجاذبية والقوى الكهربائية والمغناطيسية. 
    2. قوى الاتصال (Contact Forces): ويكون تأثير القوى متبادلاً من خلال التلامس فقط، ومثالها قوى الدفع والسحب وقوة الشد في الحبل. 

    والصور في الشكل (Fig 1)  توضح نوعي القوى مع الامثلة المبينة لهما:

    Figure 1

    - يعد العالم الإنجليزي إسحق نيوتن (I. Newton) المؤسس لعلم الميكانيكا حيث وضع المبادئ الأساسية فيه.

    - فقد تحدث عن الحركة ووضع ركائزها بقوانينه الثلاثة، ولم يكتف بذلك بل درس الجاذبية الارضية بصورة أعمق حيث كان له الفضل في قانون الجذب الكتلي ولم تكن مساهمته العلمية في الميكانيكا وحدها بل في جوانب فيزيائية أخرى كالبصريات وغيرها.

     

    • - قانون نيوتن الأول Newton’s First Law:


       

    - إذا قمت بدفع صندوق صغير فإنه يتحرك مسافة صغيرة ومن ثم يتوقف، إن قوى الإحتكاك هي التي أثرت على الصندوق وأجبرته على التوقف، ولولا قوى الإحتكاك لبقي في حركة مستمرة إلى المالانهاية، إن الفكرة السابقة هي إحدى نتائج قانون نيوتن الأول Newton’s First Law والذي يصاغ على الشكل التالي:

    - من هذا القانون نلاحظ  أن قانون نيوتن الأول تكلم عن الأجسام المتزنة والتي تعرف بأنها الأجسام التي تكون محصلة القوى عليها صفراً، والتي تكون إحدى حالتين هما:

    1. الجسم الساكن.
    2. الجسم المتحرك بسرعة ثابتة (تسارع = صفر) في خط مستقيم.

    - ونلاحظ من قانون نيوتن الأول أن الجسم الساكن يحتاج إلى قوة خارجية لتحركة، وكذلك الجسم المتحرك فإنه يحتاج إلى قوة خارجية لتغيير حالته الحركية، وهذا يعني أن الأجسام قاصرة عن تغيير حالتها الحركية بذاتها، وهذه الخاصية تسمى القصور الذاتي (Inertia) وتعرف بأنها الممانعة الطبيعية التي يبديها الجسم لتغيير حالته الحركية، وتظهر جلياً عندما تدفع جسماً ساكناً فإنه سيبدي ممانعة لتغيير حالته الحركية (يميل إلى بقاءه ساكناً) والجسم المتحرك عندما نحاول إيقافه فإنه سيبدي أيضاً ممانعة لتغيير حالته الحركية (يميل إلى بقاءه متحركاً). وكلما كان الجسم المتحرك أو الساكن ذا كتلة أكبر فإن تغيير حالته الحركية سيكون أصعب. لذلك يمكن اعتبار الكتلة (Mass) مقياس للقصور الذاتي للأجسام.

    • - قانون نيوتن الثاني Newton’s Second Law:


       

    - لوحظ أنه عند التأثير بقوة على جسم موضوع على سطح كالجليد مثلاً، فإن الجسم يكتسب تسارعاً بعد فترة زمنية، وكلما كانت القوة المؤثرة أكبر يكتسب الجسم تسارعاً أكبر، مما يعني أن تسارع الجسم يتناسب طردياً مع مقدار القوة المؤثرة عليه.

    - كما أنه كلما كانت كتلة الجسم أكبر كان تسارعه أقل، فعندما تدفع كرتين مختلفتي الكتلة على سطح مستوٍ ستتحرك الكتلة الصغيرة بتسارع أكبر من الكتلة الكبيرة. إن تسارع الأجسام يعتمد على مقدار كتلها فتسارع الجسم يتناسب عكسياً مع كتلته، إن نص قانون نيوتن الثاني يصاغ بالشكل التالي Newton's Second Law :

    وبالتالي إذا أثرت قوة F على جسم كتلته m فإنه سيتحرك بتسارع a حسب العلاقة:

     ……… (1)

    وتكون وحدة القوة في النظام العالمي (S.I) هي kg.m/s2 وتعرف بالنيوتن ويرمز لها بـN .         أي أن:  1 N = 1 kg.m/s2 


     

    • - قانون نيوتن الثالث  Newton’s Third Law:


       

    - إن وجود القوى في الطبيعة يكون متبادلاًعلى شكل أزواج، فالقوة الكهربائية بين الشحنات والقوة المغناطيسية بين الأقطاب المغناطيسية، وقوة الجاذبية جميعها قوى متبادلة، فكما تؤثر الأرض على أجسامنا بقوة جذب، فإن أجسامنا تؤثرعلى الأرض بقوة مساوية لكنها معاكسة في الإتجاه أي أن:

     

                                 ……… (2)

     

    - القوة F12 تعني القوة التي يؤثر بها الجسم الثاني على الاول.

    - القوة F21 تعني القوة التي يؤثر بها الجسم الاول على الثاني.

    - ويمكن صياغة قانون نيوتن الثالث Newton’s Third Law على الشكل التالي:

    - إذا أثر جسم بقوة على جسم ثان فإن هذا يسمى فعل (action)، أما القوة التي يبادل بها الجسم الثاني على الأول فتعرف برد الفعل (reaction)، لاحظ أن الفعل ورد الفعل لا يؤثران على الجسم نفسه، بل كل قوة على جسم مختلف.

    - سنعرض الآن بعض أشكال قوى الاتصال التي سندرسها في حل المسائل في هذا الفصل، وهي قوة الوزن والقوة العمودية (رد فعل السطح) وقوة الشد وقوة الأحتكاك.

     

    - أولاً: الوزن (Weight)


    - إذا تركنا جسماً يسقط من ارتفاع ما فإنه يكتسب تسارعاً يساوي تسارع الجاذبية (g)، وتكون القوة المؤثرة عليه:

     ……… (3)

    - والقوة W هي ما يعرف بالوزن وتكون وحدتها هي النيوتنN ، وأحياناً يرمز لها وهي تختلف عن الكتلة  (mass)والتي تعرف بمقدار مايحويه الجسم من مادة وتقاس بوحدة الكيلوغرام kg، والكتلة خاصية مستقلة عن الوزن حيث إن الوزن يعتمد على المكان الذي يوجد الجسم فيه، فوزن الأجسام يختلف على القمرعن وزنها في الأرض لأن تسارعها يختلف، لكن الكتلة تبقى ثابتة.

    - ثانياً: القوة العمودية (Normal Force)


    - عند وضع شاشة على طاولة، فإن وزنها للأسفل يؤثر عليها بقوة مع ذلك فهي لاتسقط، لأن السطح يؤثرعليها بقوة عمودية  (Normal force)تمنعها من السقوط، فإذا سحبنا الطاولة من تحتها فإنها سوف تسقط، إن القوة العمودية n تكون دائماً عمودية على السطح، عند نقطة التماس بين الجسم والسطح، ويكون ذلك حتى لو كان السطح مائلاً أو

    منحنياً، وهي قائمة ما دام هنالك تماس وأصل القوة العمودية هو القوى الكهروستاتيكية (electrostatic force)، وهي لا تكافئ الوزن كما يعتقد البعض، حيث أنه عند غياب التماس بين الجسم والسطح تختفي القوة العمودية ويبقى الوزن موجوداً.

     

    - ثالثاً: قوة الشد (Tension)


    - إذا علقنا جسماً بواسطة حبل في سقف الغرفة فإن الجسم سيتزن مما يعني أن هناك قوة أخرى تؤثر فيه ألا وهي قوة الشد ويرمز لها بالرمزT. وهي تعاكس الوزن في هذه الحالة فقط، وليس بالضرورة أن يكون هذا دائماً، ومما لاشك فيه أن الحبل ما كان سيؤثر بقوة إلا إذا ربط بالسقف، ومن المعروف كذلك أن ربط حبل بسيارة معطلة لا يكفي لجرها بل يجب أن يكون هناك مؤثر. انظر الشكل (Fig 2).

     

                            Figure 2

    - رابعاً : قوة الأحتكاك (Force of Friction)


    - تعرّف قوى الاحتكاك (Frictions) على أنها القوة التي تمانع وتقاوم حركة جسم عند انزلاقه على جسم آخر، إن تلف عجلات السيارة والأحذية وضياع الطاقة وغيرها ناتج عن قوة الاحتكاك، ولولا قوة الاحتكاك لما كان الحياة سهلة فبها نتحرك وبها نثبّت الأجسام، ومن خلالها تتوقف السيارة بعد إطفاء المحرك وغيرها من الأمور المفيدة.

                                         Figure 3

    - إذا تأملنا الشكل (Fig 3) نلحظ صورة لسلتين معدنيتين أحدهما ثابتة (a) والأخرى متحركة لليمين (b)، يتضح في الصورة (a) صفة السطح السفلي للسلة والذي يمثل سطح خشن احتكاكه عالٍ (مقاومته للحركة كبيرة) ونرى كذلك القوى الأربع المؤثرة على السلة (القوة العمودية للأعلى والوزن للأسفل، والقوة الخارجية المؤثرة التي تحركها لليمين و قوة الاحتكاك لليسار)، إن عدم حركة السلة يعني أنها ساكنة، وتسمى قوة الاحتكاك في هذه الحالة قوة الاحتكاك السكوني (force of static friction)  ويرمزلها بـ .

    - إن قوة الاحتكاك السكوني تساوي مقداراً القوة الخارجية المؤثرة إلى أن تصل قيمة الإحتكاك السكوني إلى القيمة العظمى وعندها تكون السلة على وشك الحركة، إن قـوة الاحتكـاك السكـوني العـظمى تساوي ، ويعرف الثابت ويقـرأ

    (ميو إس) بأنه معامل الاحتكاك السكوني  (coefficient of static friction)، وتكون هي القوة العمودية التي يؤثر بها السطح على السلة، أي أنه بشكل عام:

    ……… (4)

    - أما الصورة (b) فتتغلب فيها القوة الخارجية المؤثرة على قوة الاحتكاك وتتحرك السلة باتجاه اليمين (اتجاه التأثير)، وتسمى قوة الاحتكاك الحركي(kinetic frictional forces)  ويرمز لها بـ ، وقوة الاحتكاك الحركي تعطى من العلاقة التالية:

    ……… (5) 

    - ويعرف الثابت ويقرأ(ميو كى) بأنه معامل الاحتكاك الحركي (coefficient of kinetic friction) ، إن قيم معاملات الاحتكاك تعتمد بشكل عام طبيعة السطوح المتلامسة وعموماً فإن: لاحظ الشكل (Fig 4).

     

                                        Figure 4

    - قبل البدء بحل المسائل المتعلقة بقوانين نيوتن للحركة يجب التذكير بأن القوة عبارة عن متجه، وبالتالي لها مقدار واتجاه وهذا يعني أننا بحاجة إلى تحليل القوى المؤثرة على الجسم قبل البدء بحساب المتغيرات الحركية.

    والرسمات في الأسفل تبين تحليل القوى المؤثرة على الجسم في بعض حالات الحركة على سطح خشن:

    تحليل القوى المؤثرة على الجسم في بعض حالات الحركة على سطح خشن

     

    - حيثما يكون اتجاه الحركة تكون الإشارة موجبة، لذا في الرسمات السابقة تكون القوة المحركة F وقوة الشد في الحبل T ذات إشارة موجبة. بينما تكون قوى الاحتكاك f ذات إشارة سالبة لأنها عكس اتجاه الحركة. أما إذا كان الجسم ساكناً فيمكنك استخدام أي إشارة بشرط أن تكون القوى التي بالاتجاه نفسه تحمل نفس الإشارة.

    - عند وجود عدة قوى تؤثر على جسم كتلته m فإنه سيكتسب تسارعاً (ما لم يحدث اتزان) مقداره a وسيصبح قانون نيوتن الثاني:

     ……… (6)

    - حيث يدل الرمز Σ على وجود عدة قوى تؤثر على الجسم، ويجب مراعاة إشارات القوى (مع اتجاه الحركة + وعكس اتجاه الحركة −) عند تعويضها في القانون.







    - في بعض الحالات قد توجد حركة أفقية ولا توجد حركة عمودية مثل حركة السيارة على طريق مستوٍ، ففي هذه الحالة نحسب المركبة الأفقية للقوة من قانون نيوتن الثاني . أما الحركة العمودية فتكون المركبة الأفقية للتسارع صفراً ويكون قانون نيوتن .

    - كما قد يحدث العكس فتكون الحركة في الاتجاه العمودي فقط. وبنفس الطريقة تكون المركبة الأفقية والمركبة العمودية .









    - عندما يتحرك جسم بسرعة في مسار دائري فإنه يكتسب تسارعاً ناتجاً من تغير اتجاه السرعة يسمى- كما تعلم- التسارع المركزي (centripetal acceleration)، ويساوي:

     

    وتكون سرعة الجسم باتجاه مماسي على المسار الدائري، ودليل ذلك  أنه عند انقطاع الخيط فإن الجسم سيتحرك مبتعداً باتجاه المماس، والقوة المسببة للحركة الدائرية المنتظمة تتجه دائماً  باتجاه المركز، و تعرف هذه القوة أيضاً بالقوة المركزية (Centripetal Force)، وهي أحد أنواع قوى الاتصال.

    وكما ذكرنا أنه عند تغيير الحالة الحركية للجسم تنشأ قوة، وهنا حالة خاصة حيث يتغير اتجاه السرعة فينشأ تسارع دائري ومنه تنشأ القوة المركزية. ومن قانون نيوتن الثاني فإن القوة المركزية تساوي:

     

    ……… (7)

    - ومن خلال المعادلة في الأعلى يظهر أن التسارع المركزي و القوة المركزية يكونان دائماً في الاتجاه نفسه نحو المركز.

    في القوة المركزية تكون الإشارة الموجبة للقوى المتجهة نحو المركز، والإشارة السالبة للقوى التي تتجه بعيداً عن المركز.











     

    • القوة (Force): هي كل مؤثر يغير حالة الأجسام الحركية.

    الكتلة (Mass): هي مقدار ممانعة الجسم لتغيير حالته الحركية أو كمية المادة الموجودة في الجسم.

     

    • قانون نيوتن الأول: إن أي جسم يبقى على حالته الحركية من سكون أو حركة بسرعة ثابتة في خط مستقيم، مالم تؤثر فيه قوة تغير من حالته الحركية.
    • قانون نيوتن الثاني: إذا أثرت قوة على جسم ما فإنها تكسبه تسارعاً باتجاهها يتناسب طرديا مع مقدارها وعكسياً مع كتلة الجسم. أي أن:
    • قانون نيوتن الثالث: إذا أثر جسم على جسم ثان بقوة ، فإن الجسم الثاني يؤثر عليه بالقوة والتي تساويها مقداراً وتعاكسها اتجاهاً.
    • إن الأجسام المتزنة equilibrium (محصلة القوق عليها صفراً) يكون تسارعها صفراً. والتي تكون إحدى حالتين هما:
    1. الجسم الساكن. (السرعة = صفر)
    2. الجسم المتحرك بسرعة ثابتة في خط مستقيم. (التسارع = صفر)
    • - يوجد نوعان من قوى الاحتكاك:
    1. - قوة الاحتكاك السكوني وتؤثر في حالة السكون وتساوي .
    2. - قوة الاحتكاك الحركي وتؤثر في حالة الحركة وتساوي .
    • - القوة المركزية Centripetal Force :هي السبب في حركة الأجسام حركة دائرية، وتكون باتجاه المركز دائماً ،ويعبر عنها رياضياً من خلال:

    - وأخيرا:  إن كان لديك أي اقتراح أو ملاحظة أو إضافة أو تصحيح خطأ على المقال
    يرجى التواصل معنا عبر الإيميل التالي: Info@Methaal.com
    - لاتنس عزيزي القارئ مشاركة المقال على مواقع التواصل الاجتماعي لتعم الفائدة.
    - ودمتم بكل خير .
     


مقالات ذات صلة

Flag Counter