شرح لدرس القوة والحركة – القوى في بعد واحد

الجمعة، 25 مارس، 2016


بسم الله الرحمن الرحيم

السلام عليكم ورحمة الله وبركاته



شرح لدرس القوة والحركة – القوى في بعد واحد 





نبدأ على بركة الله ....


تصور أن  قطارا يتحرك بسرعة 80 Km/h  , وفجأة رأى السائق شاحنة متوقفة على سكة الحديد , فاستعمل الفرامل في محاولة لإيقاف القطار قبل أن يصطدم بالشاحنة . فعندما قام بالضغط على الفرامل تسبب في تسارع معاكس لاتجاه السرعة (تباطؤ القطار)  .
 إذا افترضنا أن السائق نجح في إيقاف القطار قبل الاصطدام بمسافة قصيرة جدا . فماذا يحدث لو كان القطار يتحرك بسرعة 100 km/h بدلا من 80 Km / h , ما الذي يجب على سائق القطار عمله في هذه الحالة لتلافي حدوث الاصطدام ؟

الجواب : يجب على سائق القطار أن يزيد التسارع المعاكس الذي تحدثه الفرامل بحيث يقف خلال زمن أقل . و لفهم ذلك بصورة أعمق فإننا نقوم بتطبيق ذلك رياضيا . 

لو افترضنا ان:

 المسافة  10 m  d =

الحالة الأولى (km/h v = 80) :

لو عوضنا في المعادلة  للحصول على الزمن   


الحالة الثانية (km/h v = 100) :

لو عوضنا في المعادلة  للحصول على الزمن  




و لإيجاد قيمة التسارع المعاكس (التباطؤ ) : 






فكما نلاحظ فان زيادة التسارع عملت على تقليل الفترة الزمنية فتوقف القطار قبل حدوث الاصطدام بالرغم من زيادة السرعة في الحالة الثانية. 

القوة و الحركة :
مما لا شك فيه أن القوة تؤثر في الجسم بدفعه أو بسحبه , فهي تزيد سرعة الجسم أو تبطئها أو تقوم بتغير اتجاه حركته .ففي مثال القطار قام السائق بالضغط على الفرامل التي تؤثر في عجلات القطار بقوة تجعله يبطئ من حركته . ويمكننا ان نستنتج مما سبق أن القوة المؤثرة في جسم ما تغير سرعته , أي أنها تكسبه تسارعا .

إذا وضعنا كتابا على سطح طاولة , فكيف يمكننا جعله يتحرك ؟
الجواب : 

هناك احتمالان  :
            1-    دفعه إلى الأمام .
            2-    سحبه الى الخلف .

فالدفع والسحب قوتان تؤثران في الكتاب فكلما زاد الدفع عليه أثر بشكل اكبر في حركته  . من المهم أن  نعرف أن القوة كمية متجهة ( لها مقدار واتجاه )ولاتجاهها تأثير رئيسي في حركة الجسم .

رمز القوة : F  .

عند دراسة تأثير القوة في الحركة من المهم تحديد ما يلي :
-         النظام : الجسم الذي تؤثر فيه القوى .
-         المحيط الخارجي : كل ما يحط بالجسم ويؤثر فيه بقوة .

ففي مثال الكتاب فان اليد تمثل المحيط الخارجي للنظام , كما تعتبر الجاذبية الأرضية من المحيط الخارجي أيضا . في حين يعتبر الكتاب النظام.
  
قوى التلامس (التماس) وقوى المجال

 قوى التلامس (التماس) : قوة تتولد عندما يلامس جسم من المحيط الخارجي النظام .

 مثال : عند حملك لكتاب الفيزياء فإنك تؤثر عليه بقوة تلامس وعند وضعك له على الطاولة فإن قوة التلامس بينه وبين يدك تتلاشى بينما تصبح الطاولة هي التي تؤثر في الكتاب بقوة تلامس .

هناك طريقة أخرى لتغيير حركة الكتاب غير السحب والدفع وهي جعله يسقط نحو الأرض , و في هذه الحالة فإنه يتسارع بسبب الجاذبية الأرضية كما درسنا في الفصل الثالث . حيث أن قوة الجاذبية الأرضية هي التي تتسبب في هذا التسارع وتؤثر في الكتاب سواء كان ملامسا للأرض أم لا  .  

قوة المجال : قوة تؤثر في الأجسام بغض النظر عن وجود تلامس فيما بينها , كالمغناطيسات التي تؤثر في الأجسام دون ملامستها .

لكل قوة سبب يمكن تحديده يسمى بالمسبب .

حتى يمكن تحديد القوة يجب معرفة ما يلي :
                      -         المسبب الذي يولدها .
                      -         النظام الذي تؤثر فيه هذه القوة .

ففي مثال الكتاب فإن المسبب هو يدك بحيث تؤثر على الكتاب بقوة لرفعه إلى أعلى . وعند تركك للكتاب ليسقط فإن المسبب يصبح هو كتلة الأرض التي تؤثر بقوة مجال في الكتاب  .

مخططات الجسم الحر :

كما قلنا سابقا فإن استخدام النماذج التصويرية والمخططات التصويرية للحركة مهم جدا في حل  مسائل الحركة , فإنه مهم أيضا في تحليل الكيفية التي تؤثر بها القوى في حركة الأجسام . 
و أول خطوة في حل أي مسألة هي عمل نموذج تصويري . ويتم عمله على النحو التالي :
فمثالا لتمثيل القوى المؤثرة في كرة مربوطة بواسطة خيط , نقوم بما يلي :
                  1-    ارسم مخططات توضح الحالة .
                  2-    ارسم دائرة حول النظام
                 3-    حدد المواقع التي تؤثر فيها قوة التلامس , وقوى المجال .
                 4-    نرسم نموذج الجسيم النقطي ( نمثل الجسم بنقطة )
                 5-    نرسم سهم أزرق لتمثيل كل قوة بحيث يكون طول كل سهم متناسبا مع مقدار القوة . (ارسم الأسهم دائما بحيث تشير اتجاهاتها بعيدا عن الجسم حتى وان مثلت قوة دفع , واحرص على تسمية كل منها )
                 6-    استعمل الرمز F مع تحديد كل مما يلي اسفل الرمز  :
-         المسبب
-         الجسم الذي تؤثر فيه الكرة
                 7-    اختر اتجاها موجبا تشير إليه بوضوح في مخططك ( يتم اختيار الاتجاه عادة بأن يكون اتجاهه في اتجاه القوة الأكبر ) .

وفي الشكل التالي نرى جميع الخطوات السابقة بحيث قمنا بترقيمها ليسهل الأمر عليك وتتضح طريقة التمثيل ولا ننسى ان ننوه بأن  هذه الطريقة تعرف باسم مخطط الجسم الحر  .

  
علل : يتم اختيار الاتجاه الموجب عادة في اتجاه القوة الأكبر .

الحل :  لتسهيل حل المسالة وذلك بتقليل عدد القيم السالبة في عملية الحساب .

مخطط الجسم الحر :  نموذج فيزيائي يمثل القوى المؤثرة في نظام ما .

القوة والتسارع :

ملاحظة : يمكن ان تؤثر قوة أو أكثر على جسم واحد بحيث يتحرك بطريقة معينة  .

قبل أن نتطرق إلى الحالة السابقة فإننا نبدأ بقوة وحيدة تؤثر أفقيا في جسم على سطح أملس . 

فلتحديد العلاقة بين كل من القوة والتسارع والسرعة المتجهة فإننا نؤثر على الجسم بقوة ثابتة 

باتجاه معين . مثلا : في الشكل التالي :

  
يؤثر الرابط المطاطي المشدود بقوة سحب , فكلما شددناه زادة قوة تأثيره . فإن اردنا التأثير بالقوة 

نفسها  فإننا نشده بالمقدار نفسه . وعند تمثيل هذه  التجربة بيانيا فإننا نحصل على الرسم البياني 

التالي :




ملاحظة : ان الزيادة الثابتة التي نلاحظها في السرعة المتجهة هي نتيجة للتسارع المنتظم الذي منحه 

الرباط المطاطي المشدود للجسم .

فإن قمنا بشد الرابط المطاطي بمقدار 2.0 cm و كررنا التجربة مع  شد الرابط المطاطي أكثر من مرة 

ثم حسابنا التسارع  وقمنا بتمثيل كل قيمة من التسارع والقوة بيانيا  لكل المحاولات التي قمنا بها 

 فسنحصل على الرسم البياني التالي :





  ما العلاقة بين القوة والتسارع ؟

العلاقة خطية , فكلما كانت القوة أكبر كان التسارع الناتج أكبر  ويمكننا التعبير عن هذه 
العلاقة باستخدام  معادلة الخط المستقيم y = mx + b  .


ما المعنى الفيزيائي لكل من الخطوط البيانية في الشكل التالي ؟ 

يبين الشكل السابق العلاقة بين القوة والتسارع لعربة واحدة , ولعربتين , ولثلاث عربات . ويظهر الشكل إنه في حال لم نقم بتغيير القوة المؤثرة فإن التسارع لعربتين سيكون نصف تسارع العربة الواحدة والثلاث عربات سيكون ثلثها وهكذا . ومعنى ذلك انه كلما زاد عدد العربات فإننا نحتاج إلى قوة أكبر للحصول على التسارع نفسه .

يعتمد ميل كل من الخطوط في الشكل السابق على عدد العربات , أي أنه يعتمد على مجموع كتل العربات , فإذا عرف الميل k  بأنه مقلوب الكتلة 





وحدة قياس القوة  =  Kg . m /s2    والتي يمكن تسميتها بنيوتن  . ويرمز لها بالرمز N  

النيوتن N : هي القوة التي تؤثر في جسم كتلته 1 kg فتكسبه تسارعا مقداره  1 m / sفي اتجاهها .

يوضح الجدول التالي مقادير بعض القوى الشائعة



جمع (تركيب) القوى :  

 عندما تدفع انت وصديقك الطاولة في الاتجاه نفسه فإنكما تؤثران فيها بقوة أكبر من القوة التي يؤثر فيها أحدكما . ولو دفعتما الطاولة في اتجاهين متعاكسين . فإن احدكما سيغلب الأخر ويحرك الطاولة والا فإنها تبقى ساكنة وذلك لتساوي قوتيكما . وفي الحقيقة فعند دفعكما للطاولة في الاتجاه نفسه فإنها تكتسب ضعف التسارع الذي يؤثر به كل منكما على حدى .


ويبين الشكل التالي مخطط الجسم لكل حالة من الحالات السابقة . 





يظهر الشكل السابق هذا المثال :
إذا دفعت الطاولة في الاتجاه الموجب بقوة 100 N .

 الحالة الأولى(b) يقوم زميلك بالدفع بقوة سالبة مقدارها 100 N (في الاتجاه المعاكس) , وبجمع القوتين نحصل على قوة كلية مقدارها 0 N , وهذا يعني أن الجسم لا يتحرك (لا يتسارع ) .

أما في الحالة الثانية(c) فإن قوة الدفع التي يؤثر بها كل منكما تساوي 100 N , وبالتالي فإن القوة الكلية تساوي مجموعهما أي تساوي 200 N وهي تؤثر بالاتجاه الموجب , وهو اتجاه تسارع الطاولة .

أما في الحالة الثالثة (d) فإن القوة التي يؤثر بها زميلك تساوي (-200 N) , ولذلك فإن القوة الكلية تساوي (-100 N ) , وبالتالي فإن الطاولة ستتسارع في الاتجاه السالب .


القوة المحصلة (F  المحصلة ) : مجموع المتجهات لجميع القوى التي تؤثر في الجسم .



قانون نيوتن الثاني :

النص الفيزيائي لقانون نيوتن الثاني : تسارع الجسم يساوي محصلة القوى المؤثرة فيه مقسومة على كتلة الجسم .


القانون الرياضي : 



ملاحظة : هناك استراتيجية مفيدة لتحديد كيف تعتمد حركة ما على القوى المؤثرة فيه :

                  1-  حدد جميع القوى التي تؤثر في الجسم .
                  2-  ارسم مخطط الجسم الحر مبينا الاتجاه والمقدار لكل قوة تؤثر في النظام .
                  3-  اجمع القوى لإيجاد القوة المحصلة .
                  4-  استعمل قانون نيوتن الثاني لحساب التسارع .


قانون نيوتن الأول :

من المعروف أن الجسم الساكن يبقى في موقعه , لأن القوة المحصلة المؤثرة فيه تساوي صفرا .  والجسم المتحرك يستمر في حركته مالم يمنعه مانع . وهذا ما ينص عليه قانون نيوتن الأول .

نص قانون نيوتن الأول : الجسم الساكن يبقى ساكنا , والجسم المتحرك يبقى متحركا في خط مستقيم وبسرعة منتظمة فقط إذا كانت محصلة القوى المؤثرة فيه تساوي صفرا .

ملاحظة : يسمى قانون نيوتن الأول أحيانا بقانون القصور .

هل القصور قوة ؟
لا , القصور هو ممانعة الجسم لأي تغيير في حالته من حيث السكون أو الحركة . حيث تميل الاجسام الساكنة إلى البقاء بحالة سكون وتميل الأجسام المتحركة للاستمرار في حركتها بالسرعة نفسها وفي الاتجاه نفسه.

ملاحظة : وفقا لما ينصه قانون نيوتن الأول فإن القوة المحصلة هي السبب في تغيير السرعة المتجهة لجسم ما , فإذا كانت القوة المحصلة المؤثرة في جسم ما تساوي صفرا , يكون الجسم في حالة اتزان .

ملاحظة : يعرف قانون نيوتن القوة على أنها كل ما يحدث اضطرابا في حالة الاتزان  . لذلك فإنه إذا كان مقدار القوة المحصلة لتي تؤثر على جسم يساوي صفرا فإنه لن يتعرض لأي تغيير في مقدار سرعته أو اتجاهه وبالتالي ستبقى في حالة اتزان.


راجع الجدول التالي الذي تحتوي على بعض أنواع القوى التي ستتعامل معها في دراستك للفيزياء.  










ملاحظة : فهرس يحتوي على جميع دروس فيزياء 1 - فيزياء اولى ثانوي الفصل الأول والثاني >> انقر هنا   







تم بحمد الله


نستقبل أسئلتكم واستفساراتكم واقتراحاتكم في خانة التعليقات 

" نرد على جميع التعليقات "



بالتوفيق للجميع ...^_^ 






اترك تعليقا