براكسيلابس المدونة العربية لمعامل العلوم الإفتراضية براكسيلابس
مصطلح “القوة” هو أحد المصطلحات الأساسية المستخدمة في الفيزياء. ففي كل مرة وفي كل مكان، نكون – نحن كعلماء أو كحشد عام – على وشك مراقبة ظاهرة ما أو فحصها عن كثب، نجد أن هناك قوة ما تتحكم في هذه الظاهرة أو تؤدي إلى حدوثها.
تختلف القوى جوهريًا عن بعضها البعض، ويكون لها أشكال عديدة، ووجودها مهم وملموس في كل شيء في حياتنا اليومية تقريبًا.
تعد مجموعة قوانين نيوتن للحركة واحدة من نجوم الفيزياء الساطعة على مر العصور، وتتكون هذه المجموعة من قوانينه الثلاثة المعروفة جدًا؛ تناقش هذه القوانين القوى وكيف تؤثر وتتأثر، لكن هل تعلم ما هي الأنواع العديدة والمتواجدة للقوى التي يعرفها العلماء؟
أنواع القوة
توجد القوى في شكلين، إما نتيجة لتفاعلات التلامس، وهي القوى العمودية والتوترية والاحتكاكية والتطبيقية؛ أو نتيجة لتفاعلات الأفعال عن بعد، والتي تتواجد في شكل قوى كهربية وجاذبية ومغناطيسية.
في المجمل، فإن القوى هي السبب في بقاء الأشياء ثابتة مكانها، وهي السبب في تحركها بمعدل ثابت، وكذلك هي السبب في تسارعها، سواء عن طريق التسريع أو الإبطاء.
كم مرة حاولت سحب الحبل من يد خصمك وفزت؟ وكم عدد المرات التي حاولت فيها ذلك، ولكن انتهى بكما الأمر تسحبان الحبل لفترة طويلة دون أن يفوز أحدكما حقًا؟
القوى المتوازنة وغير المتوازنة هي سبب حدوث ذلك. تُوجد هاتان القوتان في العديد من الأشكال من حولنا، وهي المتحكمة في تدفق القوة بين أي جسمين متفاعلين – أو أكثر.
أسئلة مثل: ما هو الفرق بين قوة متوازنة وغير متوازنة تعمل على جسم؟ ما هي خصائص القوة المتوازنة؟ هل ركل كرة القدم قوة غير متوازنة؟ قد تدور في ذهنك الآن… لا تقلق، ففي هذه المقالة، سنناقش كل المعلومات التي تبحث عنها، ونجيب على جميع أسئلتك!
شرح القوة المتوازنة
لنبدأ بمثال لتوضيح ماهية القوة المتوازنة. تخيل صندوقًا – كالموجود في الصورة – يتم بذل قوة عليه من جميع الاتجاهات، بينما تكون محصلة هذه القوى صفر في النهاية ونتيجة لذلك، يبقى الصندوق ثابتًا في مكانه دون أن يقوم بأي حركة أو تسارع.
في مثالنا هذا، فإن القوى المؤثرة في كلا الجانبين الأيسر والأيمن لها نفس المقدار (5 نيوتن)، لكنهما في اتجاهين متعاكسين. بينما ينطبق الأمر نفسه على القوى المؤثرة على الجانبين العلوي والسفلي (2 نيوتن).
إذا تذكرت قانون نيوتن الأول للحركة، فإنك من خلاله تؤكد وتعترف أن:
“يظل الجسم الساكن في حالة السكون، ويظل الجسم المتحرك متحركًا بنفس السرعة وفي نفس الاتجاه، ما لم يتم التأثير عليه بواسطة قوة غير متوازنة.”
من ناحية أخرى، إذا كانت جميع عمليات الدفع والسحب متوازنة مع بعضها البعض في جميع الاتجاهات، فهذا يعني أن القوى متوازنة. أي أنه إذا وضعنا كتابًا على الطاولة، يبقى هذا الكتاب في مكانه دون أن يتحرك. ويكون تحت تأثير قوتين:
- قوة الجاذبية، تسحبه لأسفل،
- والقوة التي تمارسها الطاولة نفسها عليه لتدفعه لأعلى.
كلا القوتين تعملان بنفس المقدار، ولكن مرة أخرى، في اتجاهين متعاكسين.
تعريف القوة المتوازنة
نعود إلى سؤالنا الرئيسي: كيف يتم تعريف القوة المتوازنة؟
تُعرَّف القوة المتوازنة بأنها ناتجة عن جميع القوى التي تعمل على جسم أو شيء ما، حيث تلاشي بعضها بعضًا حتى تصل إلى الصفر، دون أن تتسبب في تحريك هذا الجسم أو تسريعه أو تغيير أيًا من اتجاهه أو حجمه أو شكله.
وحدة القوة هي النيوتن، ويُشار إليها بالرمز (N)، ويمكن قياسها باستخدام جهاز يعرف باسم مقياس القوة. لا ننسى أن القوة هي كمية متجهة – أى أنه لوصفها بشكل كامل، نحتاج إلى التعبير عن مقدارها واتجاهها معًا -.
القوى المتوازنة هي نوع من القوة، والتي تكون متساوية في الحجم ومعاكسة في الاتجاه؛ ونتيجة لخصائصها ينتج عنها ما يُعرف باسم الحركة غير المتغيرة.
مخطط القوة للقوى المتوازنة
تتمثل إحدى نقاط قوة القوة في أنه يمكن تمثيلها باستخدام المخططات أو الصور، حيث يُرمز إلى القوة على هيئة سهم. يعتمد حجم السهم على مقدار القوة. بينما يمثل اتجاه السهم الاتجاه الذي تعمل فيه القوة.
في هذه المخططات، يمكن إضافة أسهم القوة أو طرحها لتحديد مجموع القوة الكلية المؤثرة على الجسم! يحدث هذا على النحو التالي:
- إذا كانت القوى في نفس الاتجاه، تتم إضافتها، وتكون القوة الكلية هي مجموع القوى. ونظرًا لأن القوى المؤثرة في نفس الاتجاه، فإن القوة الكلية ستكون أيضًا في نفس الاتجاه.
- إذا كانت القوى في اتجاهين متعاكسين أو مختلفين، فيمكن إيجاد القوة الكلية بطرح القوة الأصغر من القوة الأكبر. هذا النوع من القوة مفيد في تغيير خصائص الجسم، مثل مقدار سرعته وحجمه وشكله واتجاه حركته.
نتيجة لذلك، نتوقع أن الجسم لن يغير اتجاهه أو مقدار سرعته أو شكله أو حجمه، طالما أنه لم يكن متحركًا قبل أن يتم التأثير عليه بقوة متوازنة.
تُعد مخططات القوة مفيدة عندما نكون بصدد تحليل القوى، وتكون هذه المخططات أداة محورية عند تعاملنا مع مشكلة معقدة، أو عندما تؤثر قوى كثيرة جدًا على الجسم الذي هو محل اهتمامك.
أمثلة القوة المتوازنة
ماذا تتوقع إذا كنت تدفع حائطًا بكل قوتك؟ لا يتحرك الحائط، ويبقى ساكنًا، وتبقى أنت أيضًا في مكانك! يحدث هذا لأنك أنت والجدار تمارسان قوة متوازنة، متساوية في المقدار ومضادة فى الاتجاه، على بعضكما البعض.
يعني هذا أن أي شيء لا يتحرك، أو يستمر في التحرك بنفس معدله وفي نفس اتجاهه، يواجه قوة متوازنة.
إن الأمثلة على القوة المتوازنة وفيرة، وهي واضحة جلية في حياتنا اليومية، مثل:
- الوقوف على اليدين أو الوقوف على الرأس (دون السقوط)،
- سيارة تعمل بثبات في مكانها لأنك تضغط على مكابحها،
- جسم أو شيء يطفو على سطح الماء،
- شخص واقف أو جالس في مكانه،
- دوران الكواكب حول الشمس في مدار ثابت،
- السيارة التي تستمر في التحرك بنفس السرعة التي لا تتغير،
- الصور المعلقة على جدار غرفتك،
- سترة معلقة على خطاف المعطف،
- لعبة شد الحبل، حيث لا يفوز أي من الفريقين،
- وكذلك الطائرة التي تطير بسرعة ثابتة.
يمكن الاستمرار في ذكر المزيد من الأمثلة، ولكن هل نحن قادرون حقًا على تتبع الأشكال العديدة للقوة المتوازنة في حياتنا اليومية؟
ابدا تجاربك مع براكسيلابس الان مجانا!
الاحتكاك… وكيف يؤثر على القوة المتوازنة
يعود سبب عدم قدرتنا على تتبع عمل القوى المتوازنة بوضوح في حياتنا اليومية إلى هذه الكلمة السحرية: الاحتكاك.
يلعب الاحتكاك دورًا مهمًا في إيقاف عمل القوى المتوازنة. تخيل أنك تقوم بدفع عربة التسوق الخاصة بك بقوة كبيرة، وتتوقع أن تبقى في مسارها بطول أرجاء السوبر ماركت دون أن تتوقف. لا يحدث ذلك، ولكن عوضًا عنه، تتوقف العربة في منتصف طريقها، وهذا بسبب الاحتكاك.
أما إذا كنت طافيًا في الفضاء، أو أنك أصلًا رائد فضاء، فإنك لن تهتم بالأجسام أو بالأشياء التي تطفو من حولك. ويرجع ذلك إلى وجود القليل أو عدم وجود أي احتكاك تقريبًا، حيث تستمر الأجسام في الطفو إلى الأبد، ما لم يتم التأثير عليها بواسطة قوة مقاومة.
أما إذا كنا على الأرض، فإننا نأخذ الاحتكاك وعواقبه في الاعتبار أثناء التخطيط لمشروع علمي أو هندسي كبير. وهكذا نستنتج أنه من السهل ملاحظة القوى غير المتوازنة من حولنا، كل يوم، وفي كل مكان.
شرح القوى غير المتوازنة
قد يكون لديك الآن نبذة عن ماهية القوة غير المتوازنة، كما أنك قد تفكر فيها على أنها الشيء المعاكس للقوة المتوازنة، وهو أمر منطقي للتفكير فيه.
إن القوة غير المتوازنة هي نوع من القوة التي تجعل أي جسم أو أي شيء يغير حالته، أو مقدار سرعته، أو اتجاهه، أو يتسارع، سواء عن طريق الإسراع أو الإبطاء. هذا النوع من القوة موجود في كل مكان حولنا تقريبًا، حيث يعمل جنبًا إلى جنب مع قوة الاحتكاك.
لنتذكر مثال عربة التسوق المذكور سابقًا، نستنتج الآن أن العربة تواجه نوعًا غير متوازن من القوة مما يؤدي إلى إبطاء حركتها، حتى تتوقف أخيرًا.
بشكل عام، ما هو التعريف الصحيح للقوة غير المتوازنة؟
تعريف القوة غير المتوازنة
لتحديد تعريف للقوة غير المتوازنة، يجب أن تسترجع مفهوم القوة المحصلة في ذهنك، حيث إنها حجر الأساس الذي يعتمد عليه مبدأ القوى غير المتوازنة.
تُعرَّف القوة غير المتوازنة بأنها ناتجة عن مجموع القوى التي تؤثر على جسم ما، وهي لا تساوي الصفر، بينما تتسبب في تحريك هذا الجسم، أو تسريعه، أو تغيير اتجاهه، أو حجمه، أو شكله.
مخطط القوة للقوى غير المتوازنة
إذا كانت القوى غير متوازنة، فهذا يعني أن أزواج القوى المتقابلة ليس لها نفس المقدار أو الحجم – أي أن إحداها أقوى من الآخر -. ويتعرض الجسم الخاضع لقوى غير متوازنة، قوة في اتجاه واحد فقط، تتجاوز القوة التي تعارضها في الاتجاه الآخر.
يوضح الرسم البياني أدناه القوى غير المتوازنة التي يمارسها شخصان على صندوق، حيث تكون القوى العلوية والسفلية متوازنة، ولكن القوتين اليمنى واليسرى ليستا متماثلتين.
نتوقع من هذا الرسم البياني البسيط أن يتحرك الصندوق إلى اليسار، حيث يبذل الشخص الموجود على اليمين قوة مقدارها 100 نيوتن، وبطرح القوتين، نستنتج أن الصندوق سيكون له قوة 50 نيوتن باتجاه الاتجاه الأيسر.
تسبب القوى غير المتوازنة تغييرًا في حركة الجسم، حيث تفوز القوة الأقوى على الأضعف.
تعتبر مخططات القوة مفيدة للغاية في إعطاء مزيد من المعلومات حول القوى المؤثرة على الجسم. سيرشدك هذا الفيديو الذي يناقش مخططات القوة إلى مفهومها، وكيفية استخدامها عمليًا، ويشرح بالتفصيل كل من القوى المتوازنة وغير المتوازنة.
أمثلة على القوى غير المتوازنة
لفهم طبيعة القوى غير المتوازنة بشكل كامل، يجب أن نذكر بعض الأمثلة:
- مجموعة من الأطفال يربحون لعبة شد الحبل،
- تسارع السيارة، أو الفرملة، أو الدوران،
- جسم يغرق في الماء،
- ركوب لوح التزلج،
- ثمرة تسقط من الشجرة،
- قطار متحرك يتباطأ قبل محطته،
- كرة قدم تتجه إلى المرمى بعد ركلها.
تأكد من فهمك!
اختبار الفهم والتدرب على الحل، هو الطريقة الوحيدة التي تتيح لك معرفة ما إذا كنت قد فهمت الموضوع بحق، أو أنك ما تزال بحاجة إلى قراءته وفهمه أكثر… إليك بعض العبارات التي تحتاج فيها إلى تحديد ما إذا كانت القوى الموصوفة متوازنة أم غير متوازنة
- جسم يتدحرج عن السطح الذي تم وضعه عليه،
- تأرجح يتأرجح في النسيم
- رمي صخرة بحيث تقفز ضد الماء،
- بقاء شاشة كمبيوتر في مكانها على المكتب،
- حقيبة ظهر معلقة على خطاف،
- قيادة دراجة بسرعة محددة على طريق مستقيم.
اكتب إجاباتك ، ودعنا نكتشف إذا ما كانت صحيحة أم خاطئة!
- غير متوازنة، لأن الجاذبية ستتغلب على الاحتكاك بين الجسم والطاولة.
- غير متوازنة، بالرغم من أن الجاذبية تسحب الأرجوحة إلى أسفل، فإنها ما تزال تتحرك ذهابًا وإيابًا، بينما يدفعها النسيم إلى الأمام والأعلى.
- غير متوازنة، لأن الصخور تتباطأ في كل مرة تقفز فيها، حتى تغرق.
- متوازنة، حيث لا تغير الشاشة حركتها، إنما تبقى هناك فحسب.
- متوازنة، حيث يتم موازنة القوة التي تربط الخطاف بالجدار (سواء البراغي أو المسامير أو الغراء) مع قوة الجاذبية.
- متوازنة، فالدراجة لا تغير سرعتها أو اتجاهها، لذلك فإن قوة الاحتكاك بين الإطارات والطريق تتوازن بالقوة التي توضع في الدواسات. (أيضًا ، يمارس القائد قوة للتغلب على مقاومة الرياح.)
شيئًا فشيئًا، اكتشفنا أن القوة هي ضرورة في كل شيء من حولنا، وأنها تحكم كل شيء. كما أنه يترتب عليها تولد العديد من المجالات، مثل: المجالات المغناطيسية والمجالات الكهربائية، وأصبحنا نعرف كيف نتعامل معها بشكل أكثر فعالية واستفادة.
أنشئ حسابك المجاني واكتشف المزيد من التجارب الافتراضية التي تناقش القوى المتوازنة وغير المتوازنة،
الآن مع براكسيلابس!
