القوى ومخططات الجسم الحر.
| English | العربية |
|---|---|
| force/fɔːs/ | القوة |
| free-body diagram/friː ˈbɒdi ˈdaɪəɡræm/ | مخطط الجسم الحر |
| newton/ˈnjuːtn/ | نيوتن. |
| weight/weɪt/ | الوزن |
| normal force/ˈnɔːml fɔːs/ | القوة العمودية |
| tension/ˈtenʃn/ | قوة الشد |
| friction/ˈfrɪkʃn/ | الاحتكاك |
| net force/net fɔːs/ | القوة المحصلة |
كل دفع وسحب في مخطط واحد نظيف
- كتاب على طاولة لا يفعل شيئاً — ومع ذلك تؤثر عليه عدة قوى في آن واحد.
- الجاذبية تسحبه لأسفل؛ الطاولة تدفعه لأعلى؛ قد تدفعه يد جانبياً.
- للتفكير بوضوح، يخلو الفيزيائيون من كل شيء ما عدا القوى المؤثرة على ذلك الجسم الواحد.
- النتيجة هي مخطط الجسم الحر — وهو الرسم الأكثر فائدة في الميكانيكا.
ماهية القوة
- القوة هي دفع أو سحب — متجه، تقاس بـ نيوتن ($\text{N}$).
- لها مقدار واتجاه، لذا تُجمع القوى كمتجهات، وليس كأرقام عادية.
- القوة تنشأ دائماً من تفاعل بين جسمين.
- $1\ \text{N}$ هو تقريباً وزن تفاحة صغيرة.
ما هي وحدة القوة في النظام الدولي (SI)؟
تُقاس القوة بـ نيوتن ($\text{N}$). الجول يقيس الطاقة، الواط يقيس القدرة، الباسكال يقيس الضغط.
المتهمون المعتادون
- الوزن $mg$ — سحب الجاذبية، دائماً عمودياً للأسفل.
- القوة العمودية $N$ — سطح يدفع عمودياً على نفسه.
- الشد $T$ — سحب عبر حبل أو وتر.
- احتكاك $f$ — سطح يقاوم الانزلاق، موازٍ للسطح.
أي قوة تكون دائماً عمودية على السطح الذي يستقر عليه الجسم؟
القوة العامة تُعرف بأنها دفع السطح عمودياً على نفسه. الاحتكاك يعمل موازياً للسطح.
رسم مخطط الجسم الحر
- اصغر الجسم إلى نقطة وارسم كل قوة كمVECTOR من تلك النقطة.
- شمل فقط القوى المؤثرة على الجسم — لا القوى التي يؤثر بها على الآخرين.
- وجه كل سهم بالطريقة الصحيحة؛ السهم الأطول = قوة أكبر.
- بعد ذلك المحصلة هي المجموع المتجهي لكلها.
بني مخطط جسم حر.
غيّر القوة المطبقة والاحتكاك والكتلة، وشاهد كيف تستجيب أسهم القوى والقوة المحصلة.
يجب أن يتضمن مخطط الجسم الحر القوى التي يبذلها الجسم على أجسام أخرى.
مخطط الجسم الحر يظهر فقط القوى المؤثرة على الجسم المختار، ولا يظهر أبداً القوى التي يبذلها على الآخرين.
تم دفع مكعب على طاولة خشنة. حدد جميع القوى التي تنتمي إلى مخطط جسمه الحر.
القوى الأربع تؤثر على المكعب. القوة التي يبذلها المكعب على الطاولة تؤثر على الطاولة، لذا يتم استبعادها.
جمع القوى معاً
- اجمع القوى مكونة بمكونة، تماماً كأي متجهات.
- إذا توازنوا، تكون المحصلة صفر ويحتفظ الجسم بسرعة ثابتة.
- إذا لم يتوازنوا، فتحدد المحصلة المتبقية التسارع (في الدروس التالية).
- اسأل دائماً: ما هي المحصلة وأين يشير اتجاهها؟
صندوق يشعر بقوة $10\ \text{N}$ لليمين و$4\ \text{N}$ لليسار. ما هي محصلة القوة الأفقية بـ $\text{N}$؟
اعتبر اليمين موجباً: $10 - 4 = 6\ \text{N}$ لليمين.
القوة المحصلة على الجسم هي المجموع ____ لكل القوى المؤثرة عليه.
للقوى اتجاه، لذا فهي تجمع كمجموع متجهي، وليس مجموعاً حسابياً عادياً.
القوة العمودية ليست دائماً مساوية للوزن. على منحدر، أو عندما يضغط شيء لأسفل أو يسحب لأعلى على الجسم، $N$ تتغير. لا تفترض أبداً $N = mg$ — احسبها من القوى العمودية على السطح.
صندوق يشعر بـ $F = 10\ \text{N}$ لليمين واحتكاك $f = 4\ \text{N}$ لليسار.
- محصلة أفقية $= 10 - 4 = 6\ \text{N}$، لليمين.
- عمودياً، $N$ و$mg$ تتوازنان، لذا يبقى الصندوق على الأرض.
القوة (بالنيوتن) هي دفع أو سحب ناتج عن تفاعل. مخطط الجسم الحر يُظهر كل قوة مؤثرة على جسم واحد بأسهم تنطلق من نقطة. المحصلة هي مجموعها المتجهي — والقوة العمودية ليست دائماً $mg$.