براكسيلابس المدونة العربية لمعامل العلوم الإفتراضية براكسيلابس
هل تساءلت يومًا كيف ينشئ علماء الفيزياء مخططات الجسم الحر؟ ماذا عن الاقتصاديين أو علماء الأحياء؟ يستخدم كل هؤلاء المحترفين رموزًا محددة لرسم حركة الأشياء والأجسام التي يهتمون بدراستها.
إن أهمية وفعالية مخططات الجسم الحر (FBD) في الفيزياء –وخصوصًا في الميكانيكا– تتجاوز الوصف. ظهرت مخططات الجسم الحر منذ أن امتدت قوانين نيوتن للحركة لتشمل العديد من أشكال الحركة، سواء كانت حركة ديناميكية أو حركة ثابتة. يمكن أن تختلف هذه المخططات في مستوى بساطتها أو تعقيدها. فيمكنها أن تكون بسيطة للغاية، أو أن تكون شديدة التعقيد وتخضع للعديد من الخطوات، وأحيانًا قد تحتاج إلى معالجة خاصة.
مخطط الجسم الحر هو أداة مفيدة بشكل عظيم لرسم وتمثيل المسار الذي سيتخذه جسم ما في ظروف مختلفة. من خلال فهمك لكيفية تأثير القوى الخارجية على الحركة، يمكنك تحسين تنبؤاتك ومهاراتك عند حل المشكلات الفيزيائية.
سنبدأ بتعريف ما هو مخطط الجسم الحر ثم نذكر بعض الأمثلة الواقعية. أخيرًا، سنلقي نظرة على بعض النصائح لرسم مخططات الجسم الحر بشكل صحيح وفعال. بعد قراءة هذه المدونة، يجب أن يتكون لديك فهم أساسي لكيفية التعامل مع المشكلات التي تتطلب وجود مخططات الجسم الحر، وأن تكون قادرًا على تخطيط حركة الأجسام بدقة… هيا بنا نلقي نظرة!
تعرف على براكسيلابس للمعامل الافتراضية
ماذا يعني مخطط الجسم الحر؟ وما هو تعريفه؟
مخطط الجسم الحر هو
“تمثيل رسومي للقوى الفيزيائية المؤثرة على جسم ما.”
يشمل ذلك القوى الخارجية (الجاذبية والاحتكاك والرياح وما إلى ذلك) والقوى الداخلية (العضلات والأوتار وما إلى ذلك). يستخدم الفيزيائيون مخططات الجسم الحر لتبسيط المشاكل المعقدة وفهم الفيزياء الأساسية في العمل.
عند إنشاء مخطط حر للجسم، من المهم مراعاة جميع القوى التي تعمل عليه. قد يكون هذا أمرًا شاقًا، لكن هناك بعض الحيل التي من شأنها مساعدتك. فكر أولًا فيما إذا كان الجسم على اتصال بأي شيء آخر، حيث أن الجسم الجسم قوى بسبب الاحتكاك أو الاتصال بأشياء أخرى. ثانيًا، فكر في أي سوائل قد يتفاعل معها الجسم، يمكن أن يشمل ذلك مقاومة الهواء. وأخيرًا، فكر في كتلة الجسم وقوة الجاذبية، حيث أنهما معًا يشكلان القوى الداخلية التي من الممكن أن تؤثر على الجسم.
الغرض من مخطط الجسم الحر
الاتصال الجسدي بين الأشياء، في حين أن قوى عدم الاتصال يمكن أن تعمل على أي جسم دون أي اتصال جسدي. أكثر أنواع قوة التلامس شيوعًا هو الاحتكاك ، والذي ينشأ عندما يحتك سطحان ببعضهما البعض. تشمل الأمثلة الأخرى لقوى التلامس التوتر (القوة التي يمارسها حبل أو خيط) ، والقوة العادية (القوة التي يمارسها سطح ما على جسم ما) ، ومقاومة الهواء (القوة التي يمارسها الهواء على جسم ما).
من ناحية أخرى، لا تتطلب قوى عدم الاتصال اتصالًا جسديًا بين الأشياء. النوع الأكثر شيوعًا من قوة عدم الاتصال هو الجاذبية، التي تجذب الأجسام نحو مركز الأرض. تشمل الأمثلة الأخرى لقوى عدم التلامس القوى المغناطيسية والقوى الكهروستاتيكية. بمجرد تحديد جميع القوى الخارجية المؤثرة على الجسم، يمكن تمثيلها باستخدام الأسهم على FBD. يجب أن يتوافق اتجاه كل سهم مع الاتجاه الذي تعمل فيه القوة، ويجب أن يكون طول السهم متناسبًا مع حجم القوة.
بالإضافة إلى القوى الخارجية، تتضمن مخططات الجسم الحر معلومات حول الجسم نفسه، مثل كتلته وسرعته. يتم نقل هذه المعلومات بشكل عام من خلال نص أو رموز موضوعة بالقرب من الجسم في الرسم التخطيطي. تعد مخططات الجسم الحر أداة قوية لفهم حركة الأجسام، حيث أنها تسمح لنا برؤية كل القوى المؤثرة على جسم ما وتصور كيف تؤثر هذه القوى على حركته.
بمجرد أن تفكر في جميع القوى التي تعمل على جسم ما، يمكنك البدء في إنشاء FBD الخاص بك. الخطوة الأولى هي رسم الجسم المعني. يجب أن يكون هذا تمثيلًا بسيطًا للجسم، بما في ذلك جميع الأبعاد ذات الصلة. بعد ذلك، ستحتاج إلى إضافة أسهم لتمثيل اتجاه كل قوة وحجمها. يجب أن يتناسب طول السهم مع قوة القوة. أخيرًا، قم بتسمية كل قوة وفقًا لذلك.
أمثلة على مخطط الجسم الحر
الآن بعد أن غطينا أساسيات مخططات الجسم الحر، دعنا نلقي نظرة على بعض الأمثلة من العالم الحقيقي.
مثال 1: كتاب على طاولة
لنفترض أن لديك كتابًا على طاولة. الكتاب لا يتحرك، لذلك نعلم أن صافي القوة المؤثرة في الكتاب يجب أن يكون صفرًا. هذا يعني أن مجموع كل القوى المؤثرة في الكتاب يجب أن يكون صفرًا. في هذه الحالة، هناك قوتان فقط تؤثران في الكتاب: الجاذبية والقوة التي تمارسها الطاولة. يمكننا تمثيل هذا بمخطط الجسم الحر التالي:
كما ترى، فإن الأسهم التي تمثل الجاذبية والقوة التي يبذلها الجدول تلغي بعضهما البعض. هذا لأنهم يشيرون في اتجاهات متعاكسة ولديهم مقادير متساوية. يمكننا أيضًا أن نرى أن مقدار هذه القوى يساوي وزن الكتاب.
مثال 2: سيارة تتسارع على الطريق
الآن، دعونا نلقي نظرة على مثال أكثر تعقيدًا. فكر في سيارة تسير على الطريق. السيارة كتلتها 1000 كجم وتتسارع بسرعة 2 م/ث2. يمكننا تمثيل هذا بمخطط الجسم الحر التالي:
كما ترى، فإن السيارة تتأثر بأربع قوى، ألا وهي: الجاذبية، والاحتكاك، والقوة التي يبذلها الطريق، والقوة التي يبذلها المحرك. إن القوة التي يبذلها الطريق تكون في نفس اتجاه حركة السيارة، لذلك نعلم أنها مسؤولة عن التسارع. بينما تشير جميع القوى الثلاث الأخرى في اتجاهات معاكسة لقوى الحركة وبالتالي تعمل على إبطاء السيارة.
تجربة معامل براكسيلابس مجاناً.. سجل الان!
طريقة رسم مخطط فعال للجسم الحر
دعنا نلقي نظرة على بعض النصائح لإنشاء مخططات فعالة للجسم الحر.
- أبقها بسيطة
يمكن أن تصبح مخططات الجسم الحر مزدحمة بالأسهم والأرقام، وبالتالي تكون مربكة وغير مريحة عند التعامل معها. لتجنب ذلك، فإنه عند إنشائك للمخطط، قم فقط بتضمين القوى ذات الصلة بالمشكلة المطروحة، مما سيؤدي إلى تفسير أسهل بكثير للرسم التخطيطي.
- استخدم الوحدات المناسبة
عند تصنيف القوات الخاصة بك، تأكد من استخدام الوحدات المناسبة. سيساعدك هذا على تتبع مقادير القوى والتأكد من تناسقها مع بعضها البعض.
- انتبه إلى الإتجاه
اتجاه القوى لا يقل أهمية عن الحجم. تأكد من تضمين الأسهم في الرسم التخطيطي الخاص بك للإشارة إلى اتجاه كل قوة.
- ضع علامة على قواك
من المهم تسمية كل قوة في الرسم التخطيطي الخاص بك. سيساعدك هذا على تتبع القوى المختلفة المؤثرة على الجسم والتأكد من احتسابها جميعًا.
- تحقق من عملك
بمجرد إنشاء مخطط الجسم الحر، تراجع خطوة إلى الوراء وتحقق من عملك. تأكد من احتساب جميع القوى وأنه تم تصنيفها بشكل صحيح، حيث سيساعدك هذا على تجنب ارتكاب الأخطاء عند حل المشكلات.
مزايا مخطط الجسم الحر
هناك العديد من المزايا لاستخدام مخططات الجسم الحر، بما في ذلك:
- يمكن استخدامها لتبسيط سيناريوهات العالم الحقيقي المعقدة.
- يمكن استخدامها للتنبؤ بكيفية تحرك الجسم في ظل ظروف معينة.
- يمكن استخدامها لتحديد جميع القوى الخارجية التي تعمل على جسم ما.
- يمكن استخدامها لتحديد القوة الكلية المؤثرة على الجسم.
القوة الكلية هي مجموع متجه لجميع القوى الخارجية التي تعمل على جسم ما. يتم تمثيله بالسهم في مخطط الجسم الحر. يشير اتجاه السهم إلى اتجاه صافي القوة، ويشير طول السهم إلى حجم أو قوة صافي القوة.
يمكن استخدام مخطط الجسم الحر لحل المشاكل التي تنطوي على كل من الحركة الخطية والدورانية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدامها لتحليل المواقف الثابتة التي لا يتحرك فيها الجسم. تعد مخططات الجسم الحر أداة قيمة للمهندسين والفيزيائيين، حيث يمكن استخدامها لتبسيط المشكلات المعقدة وفهم المبادئ الأساسية للحركة.
باختصار، تعد مخططات الجسم الحر أدوات قوية يمكن استخدامها لحل المشكلات وفهم الأنظمة المعقدة. الآن، تتيح لك معامل براكسيلابس الافتراضية ثلاثية الأبعاد الفرصة لإجراء تجارب مخطط الجسم الحر مجانًا. لا تتردد!
