3.1 · Forces and their effects

القوى وآثارها

كل دفع وسحب وإمساك في العالم هو قوة — ويُنظّم موضوع OxfordAQA الأول هذه القوى: التفاعلات الملموسة وغير الملموسة، والكميات القياسية مقابل المتجهات، وقوانين نيوتن الثلاثة، وأمان المركبات، ومفاهيم امتداد P الخاصة بالعزم، والسرعة النهائية، ومركز الثقل، والعزوم.

فيزياء OxfordAQA الدولية GCSE 9203، الموضوع 3.1 (الإصدار 5.1، الامتحانات 2018 وما بعدها). العبارات المرموز لها بـ(P) تخص الورقة 2 فقط؛ تفاصيل الورقة موجودة في مخطط التقييم في المواصفة. المكونات النموذجية المسجلة هي 9203-92031 و9203-92032 — والممارسة النموذجية في هذه الحزمة يُشار إليها دائمًا بهذا الوصف.

القوى وتفاعلاتها

تتفاعل الأجسام عبر قوى مجال غير ملموسة (الجاذبية، الكهروستاتيكية، المغناطيسية) وقوى تلامسية (الاحتكاك، مقاومة الهواء، الشد، قوة التلامس العادية). الاحتكاك يعمل بين سطحين، يعيق الحركة وقد يسخنهما؛ ومقاومة الهواء هي احتكاك مع مائع.

الكميات القياسية لها مقدار فقط (المسافة، السرعة، الزمن)؛ والمتجهات تضيف الاتجاه (الإزاحة، السرعة، التسارع، القوة، العزم) ويمكن رسمها كسهام. الوزن هو قوة الجاذبية: $W = m \times g$.

يمكن للقوى أن تغير الشكل — الشد، الانحناء، الضغط. التشوهات المرنة تستعيد شكلها؛ أما اللامرنة فلا تفعل ذلك (P). تخزن الزنبرك الممدد طاقة كامنة مرنة، وأسفل حد التناسب:

التجربة العملية المطلوبة: التحقق من العلاقة بين القوة والامتداد لزنبرك (تعليق كتل، رسم الخط، الميل = k).

الحركة وقوانين نيوتن

السرعة هي ميل الرسم البياني للمسافة–الزمن؛ والسرعة المتجهة تضيف الاتجاه: $v = s/t$ (قابل للاستخدام للسرعات المتوسطة أيضًا). التسارع هو معدل تغير السرعة: $a = \Delta v/t$ — من ميل الرسم البياني للسرعة–الزمن، whose المساحة تعطي المسافة المقطوعة. تغيير الاتجاه بسرعة ثابتة لا يزال تسارعًا.

• قانون نيوتن الأول: صفر محصلة القوى → السكون يبقى سكونًا، والحركة تحافظ على سرعتها المتجهة.
• قانون نيوتن الثاني: $F = m \times a$ في اتجاه المحصلة.
• قانون نيوتن الثالث: الأجسام المتفاعلة تؤثر بقوات متساوية وعكسية على بعضها البعض.

المحصلة: القوى المعاكسة أو المتوازية تُجمع على خط واحد؛ والقوتان المستويتان تُجمعان برسم مقياس (مرسومتين按比例، رأسًا إلى ذيل).

(P) العزم، الأمان والسرعة النهائية

يُحفظ العزم في نظام مغلق — فالصدمات والانفجارات تشترك في إجمالي ثابت. أمان السيارات: الوسائد الهوائية، أحزمة الأمان، قضبان الاصطدام الجانبي، zones الانهيار، حصير الاصطدام، أسطح الملاعب المبطنة وخوذات الدراجات جميعها تطول زمن الاصطدام، لذا فإن نفس التغير في العزم يعني قوة أصغر.

عند سرعة ثابتة، تتوازن قوة الدفع مع قوى المقاومة. مسافة التوقف = التفكير + الفرامل المسافة؛ يتزايد وقت الاستجابة مع الإرهاق، والتشتت، والمخدرات والكحول؛ ويجب أن تزداد قوة الفرامل مع السرعة، والتباطؤ الكبير يسخن الفواصل. تحول الفرامل الطاقة الحركية للمركبة إلى تسخين الفواصل (عمل الاحتكاك)؛ وتتطول مسافة الفرامل على الطرق المبللة أو الجليدية ومع الفواصل أو الإطارات البالية.

جسم يسقط عبر مائع يتسارع حتى تتساوى مقاومة السحب مع وزنه — السرعة النهائية؛ ترتفع المظلات مقاومة السحب لتقليل السرعة النهائية، والتقليد الانسيابي (شكل القرش، تصميم السيارة) يقلل مقاومة السحب لرفع السرعة القصوى.

(P) مركز الكتلة والعزوم

مركز الكتلة هو النقطة التي يمكن اعتبار كتلة الجسم مركزة فيها؛ يتوقف الجسم المعلق بحرية بحيث يقع مركزه تحت نقطة التعليق، ويقع مركز كتلة جسم متماثل على محور التماثل. أوجد مركز كتلة صفيحة غير منتظمة بتعليقها من نقطتين ورسم خطوط عمودية.

الجسم المتوازن له عزمان كليان في اتجاه عقارب الساعة وعكس عقارب الساعة متساويان؛ الرافعات تضاعف القوة. إذا سقط خط عمل الوزن خارج القاعدة، فإن العزم المحصل يقلب الجسم (المركبات، الألعاب المتوازنة).

تحقق من نفسك

1. أعط مثالاً واحداً لكل من قوة تلامسية وقوة غير تلامسية.
2. أي مما يلي يعتبر متجهات: السرعة، الإزاحة، الزمن، القوة؟
3. اكتب معادلة الزنبرك واسم ثابتها.
4. نص laws نيوتن الثلاثة في جملة واحدة لكل منها.
5. سيارة كتلتها 900 كجم تتسارع بمقدار 2 م/ث². احسب القوة المحصلة.
6. سمّ عاملاًين يطيلان مسافة التفكير وعاملين يطيلان مسافة الفرملة.
7. (P) اشرح كيف تحمي منطقة الانطواء الركاب باستخدام F = Δp/t.
8. (P) لماذا يصل القافز بالمظلة إلى سرعة نهائية أقل بعد فتح المظلة؟
9. (P) أين يقع مركز كتلة جسم متماثل؟
10. (P) قوة مقدارها 250 نيوتن تؤثر على بُعد 0.4 متر من نقطة الارتكاز. احسب عزمها.

الإجابات: 1 تلامسية — الاحتكاك/الشد/مقاومة الهواء/الردود؛ غير تلامسية — الجاذبية/الكهرب الساكنة/المغناطيسية؛ 2 الإزاحة والقوة؛ 3 $F = ke$، ثابت الزنبرك (نيوتن/متر)؛ 4 الأول — عدم وجود قوة محصلة يعني عدم تغير في السرعة؛ الثاني — $F = ma$ في اتجاه المحصلة؛ الثالث — التفاعلات تعطي قوى متساوية ومعاكسة؛ 5 $F = 900 \times 2 = 1800$ نيوتن؛ 6 التفكير — الإرهاق، المشتتات، المخدرات/الكحول (أي اثنين)؛ الفرملة — طرق مبللة أو جليدية، فرامل أو إطارات تالفة (أي اثنين)؛ 7 (P) منطقة الانطواء تطيل زمن الاصطدام؛ بالنسبة لتغير نفس كمية الحركة، $F = \Delta p/t$ تكون أصغر، لذا تصل قوة أقل للركاب؛ 8 (P) المظلة تزيد مقاومة الهواء بشكل كبير، فتتوازن مقاومة الوزن عند سرعة أقل بكثير؛ 9 (P) على محور تماثله؛ 10 (P) $M = 250 \times 0.4 = 100$ نيوتن·متر.