الحركة و القوة والمرجع
- ما هي طبيعة حركة كرية تترك بدون سرعة ابتدائية من ارتفاع من سطح الأرض ؟ .
- ما هي طبيعة حركة نفس الكرية عندما تقدف على طاولة أفقية ملساء فتغادرها لتسقط على الأرض ؟ .
- السرعة الإبتدائية
القوة المطبقة
المرجع : مرتبط بسطح الأرض.
طبيعة الحركة: حركة مستقيمة متسارعة بانتظام نحو الأرض.
- السرعة الإبتدائية
القوة المطبقة
بعد مغادرة الطاولة: حركة منحنية متسارعة.
قبل مغادرة الطاولة: حركة مستقيمة منتظمة.
في معلم مرتبط بسطح الأرض طبيعة الحركة و شكل مسارها يتعلق بالقوة المطبقة على المتحرك و سرعته الابتدائية ( الشروط الابتدائية ).
- مناقشة النشاط 1: ص 224
مسار الكرة الذي نشاهده: يكون منحني وكان زميلي قذف الكرة بسرعة افقية.
اقتراح رسم للمواضع المتتالية لمركز الكرة خلال السقوطها (الشكل 1)
- مناقشة النشاط 2: ص 225
مسار الكرة الذي نشاهده: يكون مستقيم شاقولي.
اقتراح رسم للمواضع المتتالية لمركز الكرة خلال السقوطها (الشكل 2)
- تحليل النشاطين:
- ما هي طبيعة حركة الكرة في الوضعية الأولى ( في مرجع ساكن بالنسبة لسطح الأرض)(نشاط 1)؟
- ما هي طبيعة حركة الكرة في الوضعية الثانية ( في مرجع متحرك بحركة مستقيمة منتظمة بالنسبة لسطح الأرض) (نشاط 2)؟
- قارن طبيعة الحركة ومسارها في النشاط 1 مع حالة حركة الكرية المقذوفة على طاولة أفقية ملساء . ماذا تلاحظ؟
- قارن طبيعة الحركة ومسارها في النشاط 2 مع حالة السقوط الحر للكرية مدروسة سابقا.ماذا تلاحظ؟
- ما هي السرعة الابتدائية للكرة في النشاط 1 أي في المرجع الساكن (الرصيف)؟
- ما هي السرعة الابتدائية للكرة في النشاط 2 أي في المرجع الدراجة ؟
- ماذا تستنتج عن علاقة الشروط الابتدائية بمرجع الدراسة ؟
- ما هي القوة المطبقة على الكرة في كلا النشاطين؟
- ماذا تستنتج عن علاقة القوة بمرجع الدراسة إذا كان أحد المرجعين يتحرك بحركة بالنسبة للأخر؟
- الحركة منحنية ولها نفس خصائص حركة جسم مقذوف بسرعة ابتدائية أفقية – درسناه سابقا –
- الحركة مستقيمة متسارعة بانتظام ولها نفس خصائص حركة سقوط حر بدون سرعة ابتدائية أفقية – درسناه سابقا–
- الحركة منحنية ولها نفس خصائص حركة جسم مقذوف بسرعة ابتدائية أفقية ونفسر ذلك انه في مرجع ساكن بالنسبة لسطح الأرض نرى الكرة مقذوفة, سرعتها الابتدائية هي سرعة الدراجة قبل مغادرة يدي زميلي و القوة المؤثرة هي قوة جذب الأرض .
- الكرة و الدراجة يشتركان في نفس الحركة الأفقية المنتظمة ، فالقوة المسؤولة على حركة الكرة ليس لها فعل أفقي, إذا هي شاقولية: أنها قوة جذب الأرض للكرة. في المرجع المنسوب إلى الدراجة تسقط الكرة المتروكة بدون سرعة ابتدائية, شاقوليا وفق حركة متسارعة ، حركتها مماثلة لتلك التي يمكن مشاهدتها في مرجع ارضي لو تركت الكرة تسقط بدون سرعة ابتدائية ، قوة جذب الأرض هي المسؤولة عن الحركة.
- السرعة الابتدائية للكرة في النشاط 1 هي سرعة الدراجة.
- السرعة الابتدائية للكرة في النشاط 2 أي في مرجع الدراجة معدومة.
- للشروط الإبتدائية الموضع و السرعة علاقة بالمرجع ففي المرجع الأرضي ( الرصيف)كانت السرعة الابتدائية حي سرعة الدراجة و في مرجع الدراجة كانت السرعة الابتدائية للكرة معدومة .
- القوة المطبقة على الكرة في كلا النشاطين هي قوة جذب الأرض.
- مرجع الدراجة في حركة مستقيمة منتظمة بالنسبة لمرجع الأرض (الرصيف) ولاحظنا في كلا المرجعين إن قوة جذب الأرض هي المسؤولة عن الحركة. إذن إذا كان أحد المرجعين يتحرك بحركة مستقيمة منتظمة بالنسبة للأخر فان القوة لا تتغير. إذن القوة المؤثرة ليس لها علاقة بمرجع الدراسة .
بالنسبة لملاحظ مرتبط بالأرض, لا يوجد فرق بين حركة الكرة المتروكة من طرف دارج يسير بسرعة ثابتة
عندما نقوم بدراسة حركة جسم في معلمين مرتبطين احدهما يتحرك بحركة مستقيمة منتظمة بالنسبة للأخر فان مسار حركة هذا الجسم يختلف من معلم لأخر و الشروط الإبتدائية أيضا تختلف من معلم لأخر ولكن القوة المطبقة على الجسم تبقى نفسها أي أن القوة لا تتغير إذا غيرنا مرجع الدراسة بمرجع يتحرك بالنسبة للأول بحركة مستقيمة منتظمة نسمي هذا النوع من المعالم "المعالم الغاليلية" أو "المعالم العطالية".
المرجع هو الجسم الصلب بالنسبة إليه نختار وصف حركة الأجسام.
مثال : المسافر داخل السيارة يكون ساكنا في مرجع السيارة ومتحركا في المرجع المرتبط بالارض.
في المرجع الغاليلي :
- لا تتعلق حركة الجسم إلا بـ: الشرطيين الإبتدائيين للموضع و السرعة, بالقوى المطبقة على هذا الجسم.
- يتحقق مبدأ العطالة" إذا كان الجسم ساكنا أو متحركا بحركة مستقيمة منتظمة فحو لا يخضع لأية قوة أو أن القوى المطبقة عليه متبادلة ولا يكون لها أي تأثير" .
- كل مرجع يتحرك بحركة مستقيمة منتظمة بالنسبة لمرجع غاليلي فهو أيضا مرجعا غاليليا .
- لتعريف مرجع غاليلي نبحث عن مرجع ساكن أصلا لنتأكد من الحركة مستقيمة منتظمة لهذا المرجع.
- إذا كانت المدة الحركة المدروسة قصيرة جدا يمكن اعتبار أن خلال هذه المدة حركة المرجع مستقيمة منتظمة بالنسبة لمرجع غاليلي فيمكن اعتباره أيضا مرجعا غاليليا .
لدراسة حركة الأجسام المختلفة عرف الفيزيائيون معالم مخصصة تعتبر غاليلية حسب ظروف و نوع الحركات المدروسة.
هو معلم ذو ثلاثة محاور موجهة نحو ثلاثة نجوم نعتبرها تقريبا ساكنة بالنسبة للشمس خلال مدة طويلة (قرون) ومبدأه مركز الشمس. يعتبر أيضا المعلم معلما غاليليا إلى حد كبير و يعتمد في دراسة حركة الكواكب , المذنبات و بعض المركبات الفضائية .
تتحرك الشمس بحركة تقريبا دائرية حول مركز مجرتنا دورها يقارب 240 مليون سنة تقريبا.
هو معلم مبدأه في مركز الأرض ومحاوره موازية لمحاور المعلم الشمسي أي موجه لنفس النجوم الثابتة ( معناه أنها ثابتة ولا تدور مع دوران الأرض). واعتباره كمرجع غاليلي اقل دقة من حالة المرجع الشمسي إذا أن ليس لمركزه حركة مستقيمة ( لأنه يدور حول الشمس) وهو عطالي بكفاية لدراسة حركة القمر و الأقمار الصناعية التي تدور حول الأرض.
وهو معلم مرتبط بسطح الأرض (ركن المخبر مثلا ، شجرة ،رصيف......) و اعتباره كمرجع عطالى أقل دقة من سابقيه و لكنه عطالي بكفاية لدراسة معظم الحركات التي ندرسها خلال مدد زمنية قصيرة جدا أمام دوران الأرض حول نفسها.
تطرقنا في الدروس والنشاطات السابقة إلى مفهوم القوة بناء على العطالة كمطلق لتعريف القوة، على أنها السبب في تغيير الحالة الحركية لجسم ما. لكن لم نتطرق لسبب هذه القوة و لا مصدرها .
اعتبرنا، كمقاربة أولية، انه حسب مبدأ العطالة كل جسم يتحرك بالنسبة لمعلم ما بحركة مستقيمة منتظمة لا يخضع لقوة. لكن في الحقيقة هذه الحلة خيالية و نظرية، إذا لا يوجد في الكون جسم لا يخضع لقوة. عندما نقول عن جسم انه لا يخضع لاي قوة نعني بذلك في الحقيقة أن التأثير الإجمالي للقوى المطبقة عليه معدوم و هذا الجسم يخضع على الأقل لقوتين فأكثر وان تأثيرها يعدم بعضها البعض.
- كيف نكشف عن هذه القوى؟
للكشف عن هذه القوى، نلجأ لمبدأ أخر من مبادئ التحريك التي صاغها نيوتن ألا و هو المبدأ الثالث الذي يدعى أيضا مبدأ الفعلين المتبادلين.
بدلا من التحدث عن جسم، كثيرا ما نحتاج في الفيزياء إلى دراسة جزء من جسم او مجموعة من الأجسام معا ، لذا نعبر عنها بمفهوم يشملها كلها و هو: الجملة الميكانيكية.
- نسمي جملة ميكانيكية جسم محدد أو جزء منه أو أجسام محددة.
- للجملة الميكانيكية حدود نختارها حسب هدف الدراسة، بحيث نعتبر جسم أو جزء منه أو مجموعة الأجسام المحتواة داخل هذه الحدود عناصر داخلية و كل ما هو خارج عن هذه الحدود نعتبره ينتمي للوسط الخارجي للجملة، تكون هذه الحدود اختيارية، أي يمكن تغييرها عند الضرورة.
- للتميز بين الجمل، يستحسن إرفاقها بأرقام أو أحرف.
لدينا كتابان A و B موضوعان على طاولة C.
- إذا اخترنا الكتاب A كجملة ميكانيكية، نقول أن الكتاب B و الطاولة C وسطح الأرض S تنتمي إلى الوسط الخارجي.
- لذل اعتبرنا الكتابين A و B كجملة ميكانيكية، نسمي هذه الجملة (B+A)، ونقول أن الطاولة C وسطح الأرض S ينتميان للوسط الخارجي.
نحقق التجربة الموضحة بالشكل المقابل. نأخذ عربتين صغيرتين ذات عجلات تدور بسهولة، ونضع فوق كل واحدة منهما مغناطيساو نقربهما من بعض ، ثم نتركهما لحالهما.
- ماذا تلاحظ؟
- أقلب أحد المغناطيسيين، ماذا تلاحظ؟
- ما هي الحالة الحركية لكل من العربتين لحظة تركهما؟
- كيف تصبح حالتهما الحركية بعد هذه اللحظة؟
- ماذا تستنتج؟
- نلاحظ أنهما تقتربان من بعضهما.
- نلاحظ أنهما تبتعدان عن بعضهما.
- كانتا ساكنتين.
- متحركتين.
- نستنتج انه في الحالة الأولى حدث تجاذب بين العربتين أما في الحالة الثانية فحدث تنافر أي في كلا الحالتين هناك تغير في الحالة الحركية مما يدل على خضوع العربتين لقوى.
إذا أثرت جملة ميكانيكية
- القوتان لهما نفس الحامل .
- متعاكستان في الجهة .
- لهما نفس الشدة ( القيمة ) .
الترميز للقوتين بالرمزين
يسمح الترميز بمعرفة الجملة المؤثرة و الجملة المتأثرة، إذا يعني الرمز
يستلزم تطبيق هذا المبدأ احترام هذه العلاقة، أي عند تمثيل هاتين القوتين يجب أن يكون الشعاعين
في الشكل أدناه الطور الثاني القوة المؤثرة هي قوة جذب الأرض للكرية ورمزنا لها بـ
- لماذا هذا الترميز و ماذا يعني؟ ما هي الجملة المتأثرة بها و ما هي الجملة المؤثرة عليها؟
- اعتمادا على مبدأ الفعلين المتبادلين، اوجد القوة الثانية التي ينص عليها المبدأ وحدد خصائصها مع ذكر الجملة المتأثرة بها والجملة المؤثرة عليها.
- يمكن تمثيل الفعلين المتبادلين بين الجملتين برسم توضيحي (الشكل)
- هل هذين الفعلين بعديين أم تلامسيين؟
- هذا الترميز يعني وجود فعلين متبادلين بين الجملتين هما الأرض وهي الجملة المؤثرة و الجسمو هي الجملة المتأثرة و.
- هنالك حتما جملة سبب هذا التأثير و هي أيضا متأثرة بقوةمن طرف الجملة.
- هذين الفعلين بعديين .
في الطور الأول حركة الكرية مستقيمة منتظمة وحسب مبدأ العطالة، الكرية لا تخضع لقوة .ولكن نعلم أن هذه الحالة نظرية، فإذا كانت الأرض تؤثر على الكرية في المرحلة الثانية فهي كانت تؤثر عليها حتما في المرحلة الأولى إذا الأرض موجودة دوما.
- في رأيك ما هو سبب عدم ظهور تأثير هذه القوة على الحالة الحركية للكرية في هذه المرحلة؟
- إذا افترضنا إن هذا السبب يعود إلى وجود قوة ثانية تعاكس بأثرها اثر فعل الأرض على الكرية فما مصدر هذه القوة ، وما هي خصائصها ؟
- السبب هو وجود قوة أخرى مطبقة على الكرية ناتجة عن جملة أخرى و هي الطاولة كانت تؤثر عليها، نعني بذالك في الحقيقة أن التأثير الإجمالي للقوى المطبقة عليها معدوم .
- وجود قوة أخرى مطبقة على الكرية ناتجة عن جملة أخرى و هي الطاولة وجهتها نحو الأعلى، شدتها تساوي شدة فعل الكرية على الطاولة. يعني وجود فعلين متبادلين بين جملتين هما الجسم و الطاولة.