بحث عن القوة والحركة للفيزياء 102

القوة والحركة

الفصل الأول: مسببات الحركة

الحركة بدون قوة
• بإمكان القوة أن تسبب إحداث حركة، إلا أنها قد لا تسبب حدوث حركة، لذلك فانعدام الحركة لا يعني بالضرورة انعدام القوة.
• وقد اقترح أرسطو أنه يجب أن توجد قوة ثابتة تؤثر في الجسم لكي يحافظ على حركته بسرعة منتظمة (ق ع).
• وجد جاليليو أن قوة الاحتكاك هي التي تسبب توقف الأجسام المتحركة وليس غياب القوة الأصلية, وكلما كان السطح أملساً كانت قوة الاحتكاك أقل.
• استنتج جاليليو أنه في غياب قوة الاحتكاك (إذا كان السطح أملساً لأقصى درجة) فإن الجسم المتحرك يستمر في حركته وبسرعة منتظمة في خط مستقيم دون وجود قوة تحركه.
• قوة الاحتكاك: قوة إعاقة تحدث عند تحريك أو محاولة تحريك جسم على جسم آخر ملامس له.

القانون الأول لنيوتن (القصور الذاتي)
نص القانون: كل جسم يحتفظ بحالته من السكون أو الحركة المنتظمة في خط مستقيم ما لم تؤثر فيه قوة خارجية.
القصور الذاتي: خاصية الجسم التي تحاول مقاومة التغيير في حالة سكونه أو حركته.
أمثلة على القصور الذاتي:
1) عندما تشعر بالانزلاق تميل إلى وضعك الأصلي.
2) عندما نسحب ورقة وبسرعة فإن قطعة النقود التي عليها تبقى فوق الطاولة.
3) اندفاع الركاب إلى الأمام عند التقليل من السرعة وبشكل كبير.
علّل: إذا دفعت جسم على مستوى أفقي أملس لا نحتاج لقوة لإبقاء الجسم مستمرًا في حركته: بسبب خاصية القصور الذاتي
علّل: يندفع ركاب السيارة إلى الخلف عندما تتحرك السيارة للأمام فجأة: لأن الجسم يقاوم التغير في الحركة الحادثة له (خاصية القصور الذاتي)

القانون الثاني لنيوتن
نص القانون: العجلة التي تحدثها قوة ما تتناسب طردياً مع مقدارها وتكون في اتجاهها وعكسياً مع كتلة الجسم القصورية.
الصيغة الرياضية لقانون نيوتن الثاني: ق = ك × جـ
معادلات الحركة بعجلة منتظمة:
ع = ع0 + ج ن
ف = ع0ن + 0,5 ج ن2
ع2 = ع20 + 2ج ف

العلاقة بين العجلة والكتلة القصورية لجسمين:

_____ = _______

الكتلة القصورية: كتلة الجسم التي تحاول التغيير في حالته الحركية، وتساوي النسبة بين القوة المؤثرة على الجسم والعجلة التي تحدثها تلك القوة.

الكتلة القصورية تساوياً عدداً الكتلة التثاقلية (مقدار ما يحتويه الجسم من مادة) وبنفس الوحدات

علل: إيقاف عربة أطفال أسهل من إيقاف سيارة تسير بنفس السرعة: لأن كلما زادت كتلة الجسم زاد قصوره الذاتي بنفس النسبة فيقاوم التعجيل في حركته.

وحدة قياس القوة: النيوتن (كجم . م / ث2)
عندما تؤثر في الجسم أكثر من قوة، يمكن صياغة القانون الثاني بالشكل التالي: ق = ك جـ
تعريف القوة: هي المؤثر الخارجي الذي يمكن أن يؤثر في الجسم فيكسبه عجلة.

محصلة القوى المؤثرة في الجسم ( ق) = الكتلة القصورية (كص) × مقدار التسارع في الجسم (جـ)
وزن الجسم (و) = الكتلة التثاقلية (كث) × شدة مجال الجاذبية الأرضية (ج)
ويكون اتجاه الوزن باتجاه مركز الأرض وكذلك اتجاه العجلة.
علّل: يكون وزن رائد الفضاء على الأرض ستة أمثال وزنه على القمر بينما كتلته متساوية في الحالتين: لأن جاذبية الأرض تساوي ستة أمثال جاذبية القمر
وحدات قياس العجلة: م / ث2 - نيوتن / كجم

الاتزان: في الجسم المتزن تكون العجلة تساوي صفراً، وبالتالي تكون محصلة القوى المؤثرة في الجسم تساوي الصفر أيضاً.
قوة التماس: هي القوة الناشئة عن تلامس جسمين، وهي محصلة القوة العمودية وقوة الاحتكاك.

علّل:يمكن أن يتأثر جسم بقوتين أو أكثر دون أن تتغير حالته من السكون والحركة: لأنه يمكن للقوى المتلاقية في نقطة أن يكون محصلتها صفر.

المقذوفات
عند قذف جسم بزاوية  تميل مع الأفقي وبسرعة ابتدائية (ع0) فإن الجسم يستمر في حركته بتأثير القصور الذاتي.
والسرعة تكون لها مركبتين:
1) مركبة أفقية: ع0س = ع0جتا
2) مركبة رأسية: ع0ص = ع0جا
وعندما يستمر الجسم في حركته:
1) في الاتجاه الأفقي: لا توجد أي قوة تؤثر في الاتجاه الأفقي لذلك تكون السرعة الأفقية (عس) ثابتة طوال مسافة.
المدى (المسافة الأفقية التي يقطعها المقذوف) = عس × ن (حيث ن زمن الحركة)
2) في الاتجاه الرأسي: تقل السرعة الرأسية حتى تنعدم عند أقصى ارتفاع ثم تزداد بالتدريج حتى تصطدم بالأرض
زمن الصعود: هو الزمن الذي يستغرقه الجسم للوصول لأقصى ارتفاع وهو يساوي زمن الهبوط. أي أن زمن الصعود يساوي نصف الزمن الكلي للحركة.

معادلات حركة المقذوف:
الحركة الأفقية الحركة الرأسية

ع0س = ع0جتا
ف = ع0س × ن
ج = صفر ع0ص = ع0جا
عص = ع0ص + ج ن
فص = ع0ص ن + 0,5 ج ن2
عص2 = ع0ص2 + 2ج فص

القانون الثالث لنيوتن
نص القانون: عندما يؤثر جسمان بعضهما في بعض فإن القوّة التي يؤثر بها الجسم الأول في الجسم الثاني تساوي في المقدار وتضاد في الاتجاه القوة التي يؤثر بها الجسم الثاني في الجسم الأول.
الصيغة الرياضية للقانون: ق21 = - ق12

علّل: رغم أن التفاحة تجذب الأرض بنفس القوة التي تجذب بها الأرض التفاحة، فإن التفاحة لا تكسب الأرض عجلة يمكن قياسها: لأن العجلة تتوقف على كل من القوة والكتلة، وكتلة التفاحة صغيرة جداً مقارنةً بكتلة الأرض.

الخطوات العامة لحل المسائل على قوانين نيوتن:
1) ارسم شكلاً تخطيطياً للنظام مبيّناً فيه جميع الأجسام.
2) اعزل الأجسام المراد دراستها وحدد على كل جسم بحده جميع القوى التي تؤثر فيه - وليس القوى التي يؤثر بها الجسم على أجسام أخرى - (يسمى هذا مخطط الجسم الحر)
3) حلل جميع القوى إلى مركباتها السينية والصادية ، وضع إشارة x على القوة التي حللتها.
4) طبّق قانون نيوتن الثاني في كل اتجاه على حدة:
ق س = ك جـ ق ص = ك جـ
5) حل المعادلات لإيجاد القيم المجهولة المطلوبة.

الحركة على مستوى مائل
عندما يتحرك جسم على مستوى مائل أملس، فإن القوة التي تسبب حركته هي مركبة الوزن في الاتجاه الأفقي (ك ج جا  ) ، وبالتالي نستطيع أن نطبق القوانين التالية:
ق = ك ج جا  جـ = ج جا 
وبهذا نرى أن العجلة هنا لا تتوقف على كتلة الجسم المنزلق بل على قيمة الزاوية فقط.

الحركة في المصعد
حركة المصعد معادلة الحركة
ساكن أو يتحرك بسرعة منتظمة ق = ك ج
صاعد ق = ك (ج + جـ)
هابط ق = ك (ج – جـ)
(حيث ك كتلة الجسم، ج عجلة الجاذبية الأرضية، جـ عجلة الجسم)

علّل: يشعر راكب المصعد بخفة وزنه أثناء الهبوط: لأن الراكب يضغط على قاعدة المصعد بقوة أقل من وزنه الحقيقي، لذلك يكون الوزن الظاهري أقل من الوزن الحقيقي.

الفصل الثاني: قوى الاحتكاك

الاحتكاك الانزلاقي: الاحتكاك الحادث بين الأجسام الصلبة عندما تنزلق فوق بعضها البعض.

قوة الاحتكاك الساكن قوة الاحتكاك الحركي
التعريف قوة الاحتكاك التي تؤثر بين جسمين في حالة عدم وجود حركة أو عندما يكون أحدهما على وشك الانزلاق فوق الآخر. قوى الاحتكاك بين جسمين أثناء حركة أحدهما بالنسبة للآخر.
قيمتها 1) تتدرج قيمتها بين الصفر والنهاية العظمى
2) قيمتها أكبر 1) ثابتة تقريباً
2) قيمتها أقل

قوة الاحتكاك الساكن تسمى أيضاً: قوة الاحتكاك الحرج - قوة الاحتكاك النهائية –– قوة الاحتكاك الاستاتيكي

العلاقة بين قوة الاحتكاك الحرج والقوة العمودية بين سطحين:
قوة الاحتكاك الحرج بين سطحين متلامسين تتناسب طردياً مع القوة العمودية الضاغطة بين هذين السطحين.

معامل الاحتكاك الساكن (μ س): النسبة بين قوة الاحتكاك الساكن والقوة العمودية بين سطحين.
معامل الاحتكاك الساكن (μ ر): النسبة بين قوة الاحتكاك الحركي والقوة العمودية بين سطحين.

معادلات الاحتكاك:
ح س = μ س ق ح ر = μ ر ق
(μ ر دائماً أصغر من μ س لنفس السطحين)

العوامل التي تتوقف عليها قيمة معامل الاحتكاك (μ س ، μ ر ):
1) نوع مادة السطحين المتلامسين.
2) طبيعة السطحين (نعومة – خشونة – درجة حرارة – وجود شوائب ...)

منشأ قوى الاحتكاك (تفسير الاحتكاك وتعليل كون قوة الاحتكاك الساكن أكبر من قوة الاحتكاك الحركي – أي كون معامل الاحتكاك الساكن أكبر من معامل الاحتكاك الحركي - )
التفسير بوجود الأخاديد والنتوءات في أسطح الأجسام:
في حال الجسمين ساكنين (على وشك الحركة): عندما يكون الجسمين ساكنين تتخلل نتوءات كل سطح أخاديد السطح الآخر وبالتالي فعند محاولة تحريك أحدهما على الآخر توجد مقاومة تسمى بقوة الاحتكاك.
في حال الجسمين بدأا في الحركة: لن يتوفر الوقت الكافي للسطحين كي يتلاحما وبالتالي سيكون التداخل أقل وسنحتاج لقوة أقل للمحافظة على حركة الجسم.

التفسير بوجود قوة كهربائية بين الذرات والجزيئات عند نقاط التلامس الفعلي بين السطحين:
في حال الجسمين ساكنين (على وشك الحركة): تكون النقاط البارز بين السطحين المتلامسين تخت ضغوط عالية يجعل جزيئات وذرات مادتي الجسمين تقترب من بعضها مما يسبب روابط قوية بين السطحين المتلامسين، وبالتالي فعند محاولة تحريك أحدهما على الآخر نحتاج لقوة لكشر الروابط جميعها وفي وقت واحد.
في حال الجسمين بدأا في الحركة: بعد بدء الحركة تتكون روابط جديدة تدريجياً عند نقاط الالتقاء الفعلي للسطحين، لكن هذه الروابط تحتاج لقوة أقل لتكسيرها.

علل: قوة الاحتكاك لا تتوقف على مساحة السطحين المتلامسين
لأن المساحة الفعلية بين السطحين هي المساحة التي يحدث فيها التلاحم وتتكون فيها الروابط، وهي تكون متساوية في جميع الحالات، حيث أن زيادة مساحة القاعدة يقلل الضغط عند أي نقطة من نقاط القاعدة فتقل المساحة الفعلية عند كل من هذه النقاط.

الاحتكاك أثناء الحركة:
الحالة الأولى:
ق – ح = ك جـ
ح = μ × ك ج ( لأن هنا قع = ك ج)
(حيث "ك ج" = الوزن ، ك = كتلة الجسم
ج = عجلة الجاذبية الأرضية، جـ = عجلة الجسم
ح = قوة الاحتكاك، ق = القوة المؤثرة على الجسم)

الحالة الثانية:
ق جتا  - ح = ك جـ
ح = μ (ك ج - ق جا  بحث عن القوة والحركة للفيزياء 102 Wink_3

حيث أن قع هنا = ك ج - ق جا 

الحالة الثالثة:

ق جتا  - ح = ك جـ
ح = μ (ك ج + ق جا  بحث عن القوة والحركة للفيزياء 102 Wink_3

حيث أن قع هنا = ك ج + ق جا 

الحالة الرابعة (سطح مائل خشن):
ك ج جا  - ح = ك جـ
ح = μ × ك ج جتا 
(حيث قع = ك ج جتا  بحث عن القوة والحركة للفيزياء 102 Wink_3

عند بدء الانزلاق:
μ س = ظا 

قوة التماس: هي القوة الناشئة عن تلامس جسمين، وهي محصلة القوة العمودية وقوة الاحتكاك.
(وتكون قوة التماس = القوة العمودية، في حال كان الجسم ساكن تماماً أو الأسطح المتلامسة ملساء)

قوة التماس = قع2 + ح2

الاحتكاك في الحياة:

الأضرار المنافع ( تستحيل الحياة دون احتكاك)
* يسبب تآكل أجزاء الآلات وبالتالي تلفها
* يتحول إلى حرارة تسخن الهواء والآلات.
* يعيق انزلاق الأجسام على الأرض مما يصعّب نقل الكتل الضخمة. * بفعله نمشي وهو الذي يدفع الإطارات والعجلات إلى الأمام.
* بدونه لن نتمكن من توقيف السيارات والعربات.
* بغيره لن تثبت المسامير ولن نتمكن من مسك شيء

الطرق المستخدمة لتقليل الاحتكاك بين الأسطح المتلامسة (للتغلب على أضراره):
1) استخدام الشحوم والزيوت على محاور العجلات والآلات.
2) نقل الكتل الضخمة عن طريق الطرق الجليدية حيث معامل احتكاكها منخفض.
3) ضخ تيار منتظم من الهواء يفصل بين سطحي جسمين متلامسين حيث أن لزوجة الهواء منخفضة. (تستخدم هذه الطريقة في الأماكن المغلقة لنقل البراميل والخزانات، وفي مختبرات الفيزياء لإجراء التحارب التي تتطلب غياب الاحتكاك)

راجع مثال الحصان والعربة في الكتاب ص 85، حيث أنه يتكرر عادةً في الامتحانات النهائية.

علّل: يستطيع الحصان أن يجر عربة محملة بالأخشاب
لأن القوة التي يجر بها الحصان العربة أكبر من قوة الاحتكاك بين الأرض والعربة.

علّل: تكثر حوادث التصادم على الطرقات عند بدء سقوط الأمطار
لأن المطر يقلل معامل الاحتكاك الساكن بين العجلات وسطح الطريق فتقل قوة الاحتكاك وتزيد سرعة السيارة وتفقد اتزانها مما يسبب الحوادث.

تسلم على الموضوع

جزاك الله خيراً والله يعطيك العافية على مرورك الجميل