المقدمة:

إذا وضعت كرة على سطح الأرض فإنها تبقى ساكنة في مكانها ولا تتحرك، إلا إذا ضربتها بقدمك. وكذلك الكتاب الموجود على مكتبك، يبقى ساكنا ما لم ترفعه بيدك. وإذا تركت الكتاب بعد رفعه فإن قوة الجاذبية الأرضية تسحبها في اتجاه الأسفل. تلاحظ في كل حالة من الحالات السابقة أن حركة الكرة أو الكتاب تغيرت بفعل مؤثر سحب أو دفع . أي أن الأجسام تتسارع أو تتباطأ أو تغير اتجاه ركتها فقط عندما يؤثر فيها مؤثر سحب أو دفع.

عناصر المقالة:

1.       القوة:

2.       جمع القوى:

3.       القوى المتزنة وغير المتزنة:

4.       القوة والقانون الأول لنيوتن في الحركة:

5.       الاحتكاك:

6.       الاحتكاك السكوني:

7.       الاحتكاك الانزلاقي ( الديناميكي):

8.   الاحتكاك التدحرجي:

9.   القوة والتسارع:

10.   وحدات القوة:

11.   الجاذبية:

12.   ما الجاذبية؟

13.   الوزن:

14.   الوزن والكتلة:

15.   استخدام القانون الثاني لنيوتن:

16.   زيادة السرعة:

17.   نقصان السرعة:

18.   حساب التسارع:

19.   الانعطاف:

20.   الختام:

القوة:

هى القوة المؤثر الذي يعمل على تغيير حركة الأجسام يُطلق عليه Force. والقوة إما دفع أو سحب. ويبين الشكل ١ أنه عندما تقذف كرة جولف فإنك تؤثر فيها بقوة، فتتسارع الكرة مبتعدة عن المضرب. وتعمل القوة كذلك على تغيير اتجاه حركة الكرة؛ فبعد أن تغادر الكرة المضرب ينحني مسارها إلى أسفل لتعود ثانية إلى الأرض بتأثير قوة الجاذبية الأرضية التي تسحب الكرة إلى أسفل وتغير اتجاه حركتها. وعندما تصطدم الكرة بالأرض تؤثر فيها الأرض بقوة فتوقفها. وتؤثر القوى بطرائق مختلفة؛ فمثلا يمكن تحريك مشبك ورق بواسطة قوة مغناطيسية، أو سحبه بواسطة قوة الجاذبية الأرضية، أو بواسطة قوة من تأثيرك عندما تلتقطه. كل هذه أمثلة على القوى التي قد تؤثر في مشبك الورق.

جمع القوى:

 من الممكن أن تؤثر أكثر من قوة في جسم ما. فعلى سبيل المثال، إذا أمسكت مشبك ورق بيدك بالقرب من مغناطيس فإن المشبك يتأثر بقوتك وقوة جذب المغناطيس وقوة الجاذبية الأرضية. يسمى مجموع القوى المؤثرة في جسم ما القوة المحصلة Net Force. إن القوة المحصلة هي التي تحدد كيفية تغير حركة جسم عندما تؤثر فيه أكثر من قوة. وعندما تتغير حركة الجسم فإن سرعته

المتجهة تتغير أيضا؛ وهذا يعني أن الجسم يتسارع. والآن كيف تجمع القوى لتعطي القوة المحصلة ؟ إذا كانت القوى في اتجاه واحد فإنها تجمع معا لتكون القوة المحصلة. أما إذا أثرت قوتان في اتجاهين متعاكسين فإن القوة المحصلة تساوي الفرق بينهما، ويكون اتجاهها في اتجاه القوة الكبرى.

القوى المتزنة وغير المتزنة:

 من الممكن أن تؤثر قوة في جسم ما، ولا تسبب تسارعه إذا ألغت قوى أخرى دفع أو سحب القوة الأولى. انظر الشكل ٢. إذا كنت تدفع بابا بقوة، وكان زميلك يدفع الباب نفسه بقوة مماثلة في الاتجاه المعاكس فلن يتحرك الباب؛ لأن القوتين متعاكستان، وتلغي إحداهما أثر الأخرى. فإذا أثرت قوتان أو أكثر في جسم وألغى بعضها أثر بعض ، ولم تحدث تغييرا في السرعة المتجهة للجسم فإن هذه القوة تسمى قوى متزنة Balanced Forces. وفي هذه الحالة تكون القوة المحصلة صفرا . أما إذا لم تكن القوة المحصلة صفرا تكون القوى قوى غير متزنة Unbalanced Forces. وفي هذه الحالة لا تلغي القوى بعضها أثر بعض، وتتغير السرعة المتجهة للجسم.

القوة والقانون الأول لنيوتن في الحركة:

لو أنك دفعت كتابا على سطح طاولة أو على أرض الغرفة فإنه ينزلق، ثم لا يلبث أن يتوقف. وكذلك لو ضربت كرة جولف فإنها تصطدم بالأرض وتتدحرج، ثم لا تلبث أن تتوقف. ويبدو من هذين المثالين أن أي جسم تحركه يتوقف بعد فترة. وربما تستنتج من ذلك أنه يلزم أن تؤثر بقوة وبصورة مستمرة في أي جسم نريد أن يستمر في حركته. وهذا الاستنتاج في الواقع غير صحيح. أعطت أفكار جاليليو العالم الإنجليزي نيوتن (١٦٤٢ - ١٧٢٧م) فهما أفضل الطبيعة الحركة؛ فقد فسر نيوتن حركة الأجسام في ثلاثة قوانين، سميت باسمه. يصف القانون الأول لنيوتن حركة جسم عندما تكون القوة المحصلة المؤثرة فيه Newton's First Law of Motion صفرًا. وينص القانون الأول لنيوتن في الحركة على أنه يبقى الجسم على حالته من سكون أو حركة مالم تؤثر عليه قوة خارجية.

الاحتكاك:

أدرك جاليليو أيضًا أن حركة جسم ما لا تتغير حتى تؤثر فيه قوة غير متزنة. وأنت ترى يوميا أجساما متحركة تتوقف. فما القوة التي أدت إلى إيقافها؟ إن القوة المسؤولة عن ذلك - والتي تجعل جميع الأجسام تقريباً تتوقف عن الحركة – هي قوة الاحتكاك Friction. وهي قوة ممانعة تنشأ بين سطوح الأجسام المتلامسة، وتقاوم حركة بعضها. بالنسبة إلى بعض، كما هو مبين في الشكل. وبسبب قوة الاحتكاك، لا ترى جسما يتحرك بسرعة متجهة ثابتة، إلا مع وجود قوة محصلة تؤثر فيه باستمرار. كما تؤثر قوة الاحتكاك أيضًا في الأجسام التي تنزلق أو تتحرك خلال مواد، منها الهواء أو الماء. وعلى الرغم من وجود عدة أشكال لقوة الاحتكاك إلا أنها تشترك جميعا في أنها تعمل على مقاومة انزلاق جسم يتحرك على سطح جسم آخر. حرك يدك فوق سطح الطاولة، ستحس بقوة الاحتكاك غير اتجاه حركة يدك، ستلاحظ تغير اتجاه قوة الاحتكاك. إن قوة الاحتكاك تعمل دائما على إنقاص سرعة الأجسام المتحركة.

إن فهم الحركة استغرق وقتا طويلا؛ وذلك لعدة أسباب، منها: عدم إدراك الناس لسلوك الاحتكاك، وأن الاحتكاك قوة. وقد اعتقدوا أن الحالة الطبيعية للأجسام هي السكون؛ لأن الأجسام المتحركة تتوقف في النهاية، وأنه لاستمرار حركة جسم فإنه يلزم التأثير فيه بقوة سحب أو دفع بشكل مستمر، وعند توقف القوة عن التأثير فإن الجسم يتوقف. أدرك جاليليو أن الحركة المستمرة حالة طبيعية للأجسام، مثل الحالة السكونية لها، وأن الاحتكاك هو المسؤول عن نقصان سرعة جسم متحرك مسببا توقفه في النهاية، وأنه للمحافظة على استمرار حركة جسم لا بد من التأثير بقوة للتغلب على تأثيرات قوة الاحتكاك. وإذا أمكن إزالة قوة الاحتكاك فإن الجسم المتحرك يبقى متحركا بسرعة ثابتة، وفي خط مستقيم ويوضح الشكل ٤ الحركة في حالة عدم وجود د الاحتكاك.

ما الشيء المشترك بين جميع أشكال قوة الاحتكاك؟

الاحتكاك السكوني:

 إذا حاولت تحريك جسم ثقيل، كالثلاجة مثلا، فستلاحظ أنها لا تتحرك في البداية، ولكن إذا زدت من قوة دفعك أكثر فأكثر فستجدها قد بدأت تتحرك فجأة. عندما بدأت تدفع الثلاجة في البداية كانت قوة دفعك وقوة الاحتكاك بين الثلاجة والأرض متعاكستين، وكانت القوة المحصلة لهما تساوي صفرًا. ويُسمّى نوع الاحتكاك الذي يمنع الأجسام من الحركة إذا أثرت فيها قوة الاحتكاك السكوني. ينشأ الاحتكاك السكوني عن تجاذب الذرات على السطوح المتلامسة، وهذا يسبب التصاق هذه السطوح عند تلامسها . وتزداد قوة الاحتكاك هذه مع ازدياد خشونة السطحين المتلامسين، وازدياد وزن الجسم المراد تحريكه، ولكي تحرك الجسم عليك أن تبذل قوة كافية لكسر الروابط التي تعمل على تلاصق السطحين المتلامسين معا.

الاحتكاك الانزلاقي ( الديناميكي):

 في الوقت الذي تعمل فيه قوة الاحتكاك السكوني على منع الجسم الساكن من الحركة، تعمل قوة الاحتكاك الانزلاقي على تقليل سرعة الجسم المنزلق، فإذا دفعت جسما على أرضية غرفة فسوف يؤثر الاحتكاك الانزلاقي فيه في عكس اتجاه حركته. وإذا توقفت عن دفعه فسيؤدي الاحتكاك الانزلاقي إلى توقف الجسم عن الحركة، ولكي يستمر الجسم في حركته عليك الاستمرار في دفعه. ويعود سبب الاحتكاك الانزلاقي إلى خشونة السطوح المتلامسة، كما هو موضح في الشكل ... وتميل السطوح إلى الالتصاق بعضها ببعض في مواقع تلامسها. وعندما ينزلق سطح فوق آخر تتكسر الروابط بين السطحين، وتتشكل روابط أخرى جديدة، وهذا ما يُسبب الاحتكاك الانزلاقي. ويجب بذل قوة لتحريك سطح خشن على سطح خشن آخر.

ما الفرق بين الاحتكاك السكوني والاحتكاك الانزلاقي؟

الاحتكاك التدحرجي:

عندما تقود دراجة أو تنطلق فوق لوح تزلج فإن سرعتك تتناقص بسبب تأثير نوع آخر من قوة الاحتكاك؛ يسمى الاحتكاك التدحرجي، ينتج عندما يدور جسم فوق سطح. وفي مثال الدراجة يكون الاحتكاك التدحرجي بين إطارات الدراجة والأرض، كما يوضح الشكل ٦ ، مما يؤدي إلى إبطاء حركة الدراجة. وعادة تكون قوة الاحتكاك التدحرجي أقل كثيرًا من قوة الاحتكاك الانزلاقي للسطحين نفسيهما. وهذا يفسر سهولة تحريك صندوق فوق عجلات، بالنسبة لسحبه فوق سطح الأرض مباشرة. يكون الاحتكاك التدحرجي بين الإطارات والأرض أقل من قوة الاحتكاك الانزلاقي بين الصندوق والأرض.

القانون الثاني لنيوتن في الحركة

القوة والتسارع:

 في أثناء جولتك للتسوق في المراكز التجارية تحتاج إلى بذل قوة حتى تدفع العربة، أو توقفها، أو تغير اتجاهها. أيهما أسهل : إيقاف عربة ممتلئة أم فارغة، كما هو موضح في الشكل ۷؟ يحدث التسارع للجسم في كل لحظة تزداد فيها سرعته أو تقل أو يتغير اتجاه حركته. يربط القانون الثاني لنيوتن في الحركة بين محصلة القوة المؤثرة في جسم وتسارعه وكتلته. وينص القانون الثاني لنيوتن في الحركة Newton's Second Law of Motion على أن تسارع جسم ما يساوي ناتج قسمة محصلة القوى المؤثرة فيه على كتلته، ويكون اتجاه التسارع في اتجاه القوة المحصلة. ويحسب تسارع الجسم باستخدام العلاقة التالية:

معادلة القانون الثاني لنيوتن

التسارع (م/ث2 )= 

حيث ت هي التسارع، ك هي الكتلة، وقسمة هي القوة المحصلة. ومن الممكن كتابة المعادلة السابقة على النحو الآتي: القوة المحصلة (نيوتن) - الكتلة (كجم) × الشارع (م/ ث ).

ق=ك×ت

ما هو القانون الثاني لنيوتن؟  

وحدات القوة:

تقاس القوة بوحدة تسمى "نيوتن". وحيث إن الكتلة تقاس في النظام الدولي للوحدات بـ (كجم)، ووحدة الشارع (م/ ث ) ؛ لذا فإن 1 نيوتن يساوي 1 كجم. م / ث ، ويُعرف 1 نيوتن بأنه مقدار القوة المحصلة التي إذا أثرت في جسم كتلته 1 كجم أكسبته تسارعا مقداره ام / ث "

الجاذبية:

تعتبر قوة الجاذبية من أكثر القوى المألوفة لديك. فعندما تنزل تلا بدراجتك أو بزلاجة، أو تقفز داخل بركة فإن قوة الجاذبية الأرضية تسحبك باستمرار إلى أسفل. وقوة الجاذبية تجعل الأرض تدور حول الشمس، كما تجعل القمر يدور حول الأرض.

ما الجاذبية؟

هناك قوة جاذبية بين أي جسمين تسحب الأجسام بعضها في اتجاه بعض. وتعتمد قوة الجاذبية على كتلة كل من الجمین، فتزداد بازدید كتلتيهما وتنقص بنقصانها. كما تعتمد قوة الجاذبية على البعد بين الجسمين فكلما زاد البعد تضعف هذه القوة ولكنها لا تتعدم. فمثلا هناك تجاذب بين جسمك والأرض، وكذلك بين جسمك والشمس. ورغم أن كتلة الشمس أكبر كثيرا من كتلة الأرض إلا أنه بسبب بعدها الكبير تكون قوة جذبها لجسمك ضعيفة جدا، في حين أن قوة جذب الأرض للجسم تفوق قوة جذب الشمس له بمقدار ١٦٥٠ ضعفا.

الوزن:

ما الذي يقيسه الميزان المنزلي عندما تقف عليه ؟ إنه يقيس وزنك ويظهره لك مرتبطا بالكتلة. ووزن Weight جسم ما هو مقدار قوة الجذب المؤثرة فيه. إن وزنك على سطح الأرض يساوي قوة الجذب بينك وبين الأرض، ويحسب الوزن.

على سطح الأرض باستخدام المعادلة التالية:

الوزن (نيوتن)=الكتلة (حجم)×تسارع الجاذبية الأرضية (م/ث2)

                                      و= ك×9.8 م/ث2

حيث (و) الوزن بوحدة نيوتن، و(ك) الكتلة بوحدة كجم. أما إذا وقفت على كوكب آخر غير الأرض فإن وزنك سيتغير كما يبين الجدول ۱. إن قوة الجذب بين جسمك والكوكب هي مقدار وزنك على سطحه.

الوزن والكتلة:

 الوزن والكتلة كميتان مختلفتان؛ فالوزن قوة تقاس بوحدة نيوتن. فعندما تقف على الميزان المنزلي فإنك تقيس مقدار قوة جذب الأرض لجسمك؛ أما الكتلة فهي مقدار ما في الجسم من مادة، وتقاس بالكيلو جرام. وكتلة جسم ما ثابتة لا تتغير بتغير المكان، ولكن الوزن يتغير بتغير المكان. فمثلا کتاب كتلته ١ كجم على سطح الأرض له الكتلة نفسها على سطح المريخ أو في أي مكان آخر. أما وزن الكتاب على الأرض فيختلف عن وزنه على المريخ؛ حيث يؤثر الكوكبان بقوتي جذب مختلفتين في الكتاب نفسه.

استخدام القانون الثاني لنيوتن:

يستخدم هذا القانون في حساب تسارع الجسم، عندما تكون كتلته والقوة المؤثرة فيه معلومتين. تذكر أن التسارع يساوي ناتج قسمة التغير في السرعة المتجهة على التغير في الزمن، وبمعرفة تسارع الجسم يمكن تحديد التغير في سرعته المتجهة.

زيادة السرعة:

 متى يُسبب تأثير قوة غير متزنة في جسم زيادة سرعته ؟ عندما تؤثر قوة محصلة في جسم متحرك في اتجاه حركته فإن سرعته تتزايد. فمثلا يبين الشكل ٨ أن القوة تؤثر في اتجاه السرعة المتجهة للزلاجة، وهذا ما يجعل الزلاجة تتسارع، ومن ثم تزداد سرعتها المتجهة.

نقصان السرعة:

 إذا أثرت قوة محصلة في جسم في عكس اتجاه حركته فإن سرعته تتناقص في الشكل ٩ يزداد الاحتكاك بين الزلاجة والثلج عندما يضع الولد قدمه في الثلج، وتكون القوة المحصلة المؤثرة في الزلاجة ناتجة عن قوتي الوزن والاحتكاك، وعندما تصبح قوة الاحتكاك كبيرة بما يكفي، تصبح القوة المحصلة معاكسة لاتجاه السرعة المتجهة، مما يسبب نقصان سرعة الزلاجة.

حساب التسارع:

 يستخدم القانون الثاني لنيوتن لحساب التسارع. افترض مثلا أنك تسحب صندوقا كتلته ۱۰ كجم بقوة محصلة مقدارها 5 نيوتن فيكون التسارع هو : ت=

سيبقى الصندوق متسارعا بالمقدار نفسه ما دامت القوة المحصلة مؤثرة فيه. ولا يعتمد التسارع على السرعة التي يتحرك بها الصندوق، بل يعتمد على كتلته والقوة المحصلة المؤثرة فيه فقط .

الانعطاف:

عندما لا يكون اتجاه القوة المحصلة المؤثرة في جسم متحرك في اتجاه السرعة ولا معاكسا لها يتحرك الجسم عبر مسار منحن، بدلا من الحركة في خط مستقيم. فعندما تقذف كرة السلة نحو السلة فإنها لا تتحرك حركة مستقيمة، بل ينحني اتجاه حركتها نحو الأرض، كما في الشكل ١٠؛ فالجاذبية سحبت الكرة إلى أسفل؛ لذا لا ينطبق اتجاه القوة المحصلة على الكرة مع اتجاه سرعتها. ولهذا تتحرك الكرة في مسار منحن.

الختام:

1.   يُظهر فهم هذه العناصر المتعلقة بالقوة والحركة أهمية كبيرة في فهم طبيعة العالم من حولنا. القوة، كمفهوم أساسي، تعكس القدرة على تغيير حالة الحركة أو الشكل، وجمع القوى يوضح لنا أن التأثير النهائي للعديد من القوى يمكن أن يكون نتيجة لتفاعلها المشترك.

2.       القوى المتزنة وغير المتزنة تلعب دوراً حيوياً في فهم حالة الحركة، وتطبيق القوة والقانون الأول لنيوتن يفسر كيف يتغير حال الجسم عند تأثير القوة.

3.   من ناحية أخرى، يظهر الاحتكاك بأشكاله المختلفة (السكوني، الانزلاقي، والتدحرج) كمعيق أساسي للحركة، ويسهم في تحديد تفاعل الأجسام مع بعضها. القوة والتسارع ترتبط بشكل مباشر بفهم الديناميات والتغيرات في الحركة. وحدات القوة تُعد الأساس في قياس تأثير القوى.

4.   الجاذبية تظهر كمفهوم يشمل كل شيء في الكون، وفهمنا لها يعزز فهمنا لحركة الأجسام الساقطة. الوزن، الكتلة، والقوانين الثالث لنيوتن تكون حجر الزاوية في فهم التأثيرات الجاذبية على الأجسام.

5.   استخدام القانون الثاني لنيوتن يفتح أمامنا أبواب فهم واسعة للتفاعلات بين القوى والتأثيرات الناتجة. زيادة ونقصان السرعة وحساب التسارع تعكس مدى قوة التأثير وتسارع الأجسام. الانعطاف يُلقي الضوء على تأثير القوى في تغيير اتجاه الحركة.

قم بالتجربةبنفسك من خلال منصة ڤلابي لمعامل العلوم الافتراضية